Нуклеиновые кислоты изучаются в школьных курсах общей биологии в 9-х и 10-х классах и в курсе органической химии. Поэтому целесообразно проводить интегрированные уроки биологии и химии. Изучаемый материал очень объемный и рассчитан на два урока, которые сопровождаются презентацией Microsoft PowerPoint. <Презентация>. Данный материал тесно переплетается с темой “Биосинтез белка”, поэтому некоторые слайды представленной презентации можно использовать и при изучении этой темы.
Цель и задачи урока:
- сформировать знания обучающихся о строении биополимеров – нуклеиновых кислот – в связи с их биологическими функциями;
- развивать логическое мышление путем сравнения структуры нуклеиновых кислот ДНК и РНК, выявления их сходных и отличительных признаков;
- провести подготовку обучающихся к ЕГЭ по биологии, решая задания на принцип комплементарности и выполняя итоговое тестирование по данной теме.
Ход урока
I. Объявление темы и цели урока. Мотивация учебной деятельности.
Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. (Слайд 2) Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните так, будто вы их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьев, и вас охватит чувство беспомощности перед лицом великой тайны жизни. Неужели во всем этом есть нечто общее, нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек или невидимый глазом микроб? Что определяет преемственность жизни, ее возрождение вновь и вновь из поколения в поколение? Эти вопросы стары как мир, но только во второй половине ХХ века посчастливилось впервые узнать ответы. В сущности, ответы оказались не слишком сложными и, главное, ослепительно красивыми. О том, как их удалось получить и в чем они состоят, мы узнаем сегодня на уроке. Центральное место в новой науке молекулярной биологии, которая призвана дать ответ на вечный вопрос: “Что такое жизнь?”, занимают молекулы ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты – это тот инструмент, с помощью которого можно проникнуть в тайны природы.
Сегодня на уроке мы познакомимся с видами нуклеиновых кислот, их структурой и биологической ролью, узнаем об истории открытия и изучения этих важных органических веществ и проведем подготовку к ЕГЭ, так как материал данного урока включен в задания экзаменационной работы по биологии.
План изучения нуклеиновых кислот (Слайд 3)
- Строение.
- История открытия и изучения.
- Виды.
- Биологическая роль.
- Итоговое тестирование.
II. Формирование новых знаний.
1. Биологическое значение нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты – природные биополимеры, которые обеспечивают хранение наследственной информации в виде генетического кода, передачу ее при размножении дочерним организмам и ее реализацию при росте и развитии организма в течение жизни в виде участия в очень важном процессе – биосинтезе белков. (Слайд 4)
Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на их жизнеспособность.
По мере изучения материала учащиеся заполняют таблицу (Слайд 5), в которой отражены признаки сходства и различия ДНК и РНК (дан заполненный вариант таблицы). Данная таблица является обобщающим материалом темы.
Признаки |
ДНК |
РНК |
| СХОДСТВА | Полинуклеотиды, мономеры которых имеют общий план строения. | |
| РАЗЛИЧИЯ 1. Сахар-пентоза |
дезоксирибоза | рибоза |
| 2. Азотистые основания | Аденин – Тимин, Гуанин – Цитозин |
Аденин – Урацил, Гуанин – Цитозин |
| 3. Структура | двойная спираль, состоящая из миллионов звеньев | одноцепочечная молекула, число звеньев – сотни звеньев |
| 4. Местонахождение в клетке | ядро, митохондрии и хлоропласты | ядро, митохондрии, хлоропласты, цитоплазма, рибосомы |
| 5. Биологические функции | хранение наследственной информации и передача ее из поколения в поколение | участие в матричном биосинтезе белка на рибосоме, т.е. реализация наследственной информации |
2. Структура нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, при гидролизе которых образуются продукты, относящиеся к различным классам органических соединений: азотистые основания, углевод-пентоза и неорганическое вещество – ортофосфорная кислота (Слайд 6).
Учащиеся самостоятельно, с использованием рисунка учебника и слайда презентации, находят отличия в строении тимина и урацила (в тимине есть метильный радикал СН3-), рибозы и дезоксирибозы (на отличие указывает название – “дезокси” – отнятие одного атома кислорода) и заполняют графы сравнительной таблицы.
 |
 |
Эти компоненты, соединенные прочными связями, составляют нуклеотид (Слайд 7).
Нуклеотиды связываются между собой в полинуклеотидную цепь сложноэфирными связями через 3-й углеродный атом одной молекулы пентозы, кислотный остаток фосфорной кислоты и 5-й углеродный атом другой молекулы пентозы. (Слайд 8)
Остатки азотистых оснований направлены в одну сторону (внутрь молекулы ДНК). Последовательность соединения нуклеотидов в полимерную цепь и является первичной структурой нуклеиновых кислот.
Вопрос для выявления понимания данной схемы и ее закрепления: какие атомы в молекуле ДНК отвечают за кислотные свойства? (на рисунке кислотные центры – атомы Н – в остатках фосфорной кислоты выделены жирным черным цветом).
Последовательность из трех нуклеотидов называют триплетом. Триплет кодирует одну аминокислоту. Молекула ДНК — спиральная, состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси (вторичная структура ДНК). (Слайд 9) Эти цепи обращены друг к другу азотистыми основаниями, между которыми образуются водородные связи ВС. Пары оснований располагаются строго перпендикулярно оси двойной спирали, подобно перекладинам в перевитой веревочной лестнице. Эти пары имеют почти точно одинаковые размеры, поэтому в структуру двойной спирали “вписываются” любые последовательности пар оснований.
Азотистые основания соединяются между собой по принципу комплементарности (Слайд 10), т.е. пространственного соответствия друг другу, — пуриновое основание с пиримидиновым. Аденин образует с тимином – 2 ВС, гуанин с цитозином – 3 ВС. Это обеспечивает равномерность в построении всей вторичной структуры ДНК. Для лучшего запоминания принципа комплементарности можно воспользоваться мнемоническим приемом – запомнить словосочетания: Тигр – Альбинос, Цапля – Голубая.
На закрепление данного материала предлагаются задачи. (Слайд 11)
1. Содержание адениновых нуклеотидов А в молекуле ДНК равно 20%. Определите содержание остальных (каких?) нуклеотидов.
2. Часть одной нити ДНК содержит основания А – Ц – Г – Т. Постройте участок второй нити ДНК.
Решение: (Слайд 12)
1. Содержание нуклеотидов в ДНК:
- А – 20%
- Т – 20% (равно А)
- Г – (100 – 2·20):2 = 30%
- Ц – 30% (равно Г)
2. Две нити ДНК: А – Ц – Г – Т
Т – Г – Ц – А
3. История открытия и изучения нуклеиновых кислот. – Доклад ученика <Приложение 1>.
4. Виды нуклеиновых кислот и их биологические функции. (Слайд 21)
А – ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
- ядерная, в комплексе со специальными белками-гистонами образует хромосомы. (Слайд 22) Содержит информацию о структуре белков организма в виде генетического кода.
- митохондриальная,
- ДНК хлоропластов растительных клеток.
Наличие собственных РНК и кольцевых ДНК в митохондриях и хлоропластах свидетельствует о симбиотическом происхождении эукариотической клетки. (Слайд 23) Согласно этой гипотезе, митохондрии и пластиды были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками. Органеллами они стали в процессе симбиоза на заре эволюции жизни. По своему строению нуклеиновые кислоты митохондрий сходны с нуклеиновыми кислотами пурпурных бактерий, РНК и ДНК хлоропластов ближе к таковым у цианобактерий.
Б – РНК – рибонуклеиновая кислота
- информационная (матричная) – и-РНК (0,5-1% всех РНК клетки). (Слайд 24) Являясь копией с определенного участка молекулы ДНК, и-РНК содержит информацию о первичной структуре одного белка. Последовательность из трех нуклеотидов (триплет или кодон) в молекуле и-РНК (первооснова – ДНК!) кодирует определенный вид аминокислоты. Эту информацию сравнительно небольшая молекула и-РНК переносит из ядра, проходя через поры в ядерной оболочке, к рибосоме – месту синтеза белка.
- транспортные РНК – т-РНК (9-10%). Доставляют аминокислоты к рибосоме. (Слайд 25)
- рибосомальная РНК – р-РНК. Синтезируются в основном в ядрышке и составляют примерно 85-90% всех РНК клетки. (Слайд 26) В комплексе с белками они входят в состав рибосом и осуществляют синтез пептидных связей между аминокислотными звеньями при биосинтезе белка.
5. Роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белка. (Слайд 27)
I этап
Место синтеза белка – рибосомы, которые находятся в цитоплазме клетки (или на мембранах шероховатой эндоплазматической сети), а хранители наследственной информации, огромные молекулы ДНК в виде хромосом – в ядре клетки, которое окружено ядерной мембраной. Для переноса информации о структуре одного белка к рибосоме и существуют молекулы и-РНК, которые синтезируются в ядре как копии с определенного участка одной цепи ДНК по принципу комплементарности. Данный процесс называется транскрипцией. (Слайд 28)
Задание (Слайд 29): постройте молекулу и-РНК, если участок молекулы ДНК имеет следующее строение:
А – А – Ц – Г – Г – Ц – Г – Т – А – Ц – Г – Т
У – У – Г – Ц – Ц – Г – Ц – А – У – Г – Ц – А – решение.
Необходимо напомнить, что вместо тимина в РНК содержится урацил (мнемоника: вместо Тигра-Альбиноса в РНК строится Утка-Альбинос)
Дополнительный вопрос: сколько аминокислотных звеньев в молекуле белка кодирует данный участок? Решение: Так как данный участок и-РНК состоит из 12 нуклеотидов, а одну аминокислоту кодирует триплет, т. е. тройка нуклеотидов, то число аминокислотных звеньев равно 12 : 3 = 4
II этап (Слайд 30)
Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК (матричной) в последовательность аминокислот молекулы белка. и-РНК взаимодействует с рибосомой, которая начинает двигаться по и-РНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т.е. 6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула т-РНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с этой т-РНК, отделяется от нее и присоединяется к растущей цепочке белка. Синтез пептидных связей осуществляется под влиянием р-РНК, которые в комплексе с белками входят в состав рибосом. Завершение синтеза белка на рибосоме кодирует специальный стоп-кодон. Белковая молекула отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуру. Все описываемые реакции происходят очень быстро. Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка уходит всего около двух минут. Одновременно к одной молекуле иРНК может присоединиться несколько рибосом – образуется полисома. В результате сразу синтезируется не одна, а несколько молекул данного белка.
III. Обобщение и корректировка знаний.
– Проверка правильности заполнения обобщающей таблицы (Слайд 31)
IV. Итоговое тестирование.
(Слайды 32-34)1. Молекулы ДНК представляют собой материальную основу наследственности, так как в них
закодирована информация о структуре молекул
а – полисахаридов; б – белков; в – липидов; г – аминокислот.
2. В состав нуклеиновых кислот НЕ входят
а – азотистые основания; б – остатки пентоз; в – остатки фосфорной кислоты;
г – аминокислоты.
3. Связь, возникающая между азотистыми основаниями двух комплементарных цепей ДНК, -
а – ионная; б – пептидная; в – водородная; г – сложноэфирная.
4. Комплементарными основаниями НЕ является пара
а – тимин – аденин; б – цитозин – гуанин; в – цитозин – аденин;
г – урацил – аденин.
5. В одном из генов ДНК 100 нуклеотидов с тимином, что составляет 10% от общего
количества. Сколько нуклеотидов с гуанином?
а – 200; б – 400; в – 1000; г – 1800.
6. Молекулы РНК, в отличие от ДНК, содержат азотистое основание
а – урацил; б – аденин; в – гуанин; г – цитозин.
7. Благодаря репликации ДНК
а – формируется приспособленность организма к среде обитания;
б – у особей вида возникают модификации;
в – появляются новые комбинации генов;
г – наследственная информация в полном объеме передается от материнской клетки к
дочерним во время митоза.
8. Молекулы и-РНК
а – служат матрицей для синтеза т-РНК;
б – служат матрицей для синтеза белка;
в – доставляют аминокислоты к рибосоме;
г – хранят наследственную информацию клетки.
9. Кодовому триплету ААТ в молекуле ДНК соответствует триплет в молекуле и-РНК
а – УУА; б – ТТА; в – ГГЦ; г – ЦЦА.
10. Белок состоит из 50 аминокислотных звеньев. Число нуклеотидов в гене, в котором
зашифрована первичная структура этого белка, равно
а – 50; б – 100; в – 150; г – 250.
11. В рибосоме при биосинтезе белка располагаются два триплета и-РНК, к которым в
соответствии с принципом комплементарности присоединяются антикодоны
а – т-РНК; б – р-РНК; в – ДНК; г – белка.
12. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации?
а) ген – ДНК – признак – белок; б) признак – белок – и-РНК – ген – ДНК;
в) и-РНК – ген – белок – признак; г) ген – и-РНК – белок – признак.
13. Собственные ДНК и РНК в эукариотической клетке содержат
а – рибосомы; б – лизосомы; в – вакуоли; г – митохондрии.
14. В состав хромосом входят
а – РНК и липиды; б – белки и ДНК; в – АТФ и т-РНК; г – АТФ и глюкоза.
15. Ученые, которые предположили и доказали, что молекула ДНК – двойная спираль, это
а – И. Ф. Мишер и О. Эвери; б – М. Ниренберг и Дж. Матеи;
в – Дж. Д. Уотсон и Ф. Крик; г – Р. Франклин и М. Уилкинс.
Правильные ответы (Слайд 35): 1б, 2г, 3в, 4в, 5б, 6а, 7г, 8б, 9а, 10в, 11а, 12г, 13г, 14б, 15в.
Использованные источники информации (Слайд
36):
–
Учебник Общая биология 10-11 классы – М.: Дрофа, 2006.