Задачи: сформировать знания учащихся о структуре и функциях нуклеиновых кислот, развивать логическое мышление через сравнение структуры нуклеиновых кислот ДНК и РНК, и выявление их сходных и отличительных признаков, развивать умения работать с учебником.
Оборудование: модель ДНК, динамическая модель клетки, динамическая модель фрагмента ДНК, магнитная доска, таблицы: а) репликация ДНК; б) строение РНК.
Проведение урока
1 этап. Оргмомент.
В основном мы уже познакомились с химическим составом клетки. Вода, минеральные соли, белки, углеводы, липиды – это вещества, которые составляют материальную основу структуры и жизнедеятельности клетки. Они обеспечивают обмен веществ, передвижение, рост. Но есть еще одно свойство живого – способностью к самовоспроизведению. И цель нашего урока: изучить материальные основы воспроизводства.
2 этап. Повторение изученного материала.
2 этап. Подгот. у доски.
1. Ответы у доски.
- Углеводы: строение и функции.
- Липиды: строение и функции.
2. Фронтальная беседа.
- На последних уроках мы изучали химический состав клетки. Скажите, существуют ли различия на химическом уровне между живой и неживой природой.
- В чем они проявляются?
- Перечислите органические вещества клетки.
- Какие из них относятся к биологическим полимерам?
- Перечислите функции, которые выполняют в клетке и в организме белки.
- Объясните, почему пересаженные от одного организма ткани или органы отторгаются?
- Установлено, что при достаточной калорийности пищи, но при отсутствии в ней белка у животных наблюдаются патологические явления: останавливается рост, изменяется состав крови и т. д. С чем это связано?
3 этап. Изучение нового материала.
Вводное слово. Я думаю, что многие из вас слышали о расшифровке генома человека. У нас в России эта программа существует с 1989 г. Работая над этой программой, ученые преследовали возвышенную цель – прочесть книгу жизни, т.е. раскрыть всю наследственную информацию человека, ставили и ставят чисто практические задачи. Прежде всего, это относится к наследственным болезням (их насчитывают около 4000), которые являются тяжелым бременем для человеческого общества. Информация об исследованиях и новых открытиях генетиков звучит с экранов телевизоров, встречается на полосах газет. И не может современный человек, кем бы он ни был: слесарем, инженером, водителем или… не интересоваться, не задумываться над вопросами наследственности. Сейчас совершенно невозможно оставаться в стороне от обилия информации.
И сегодня на уроке мы с вами только прикоснемся к тайне генов и материальной основы наследственности.
1. Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах.
Впервые они были описаны в 1869 году швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Ученый назвал это вещество нуклеином (лат. nucleus– ядро), полагая, что оно содержится лишь в ядрах клеток. Позднее небелковая часть этого вещества была названа нуклеиновой кислотой.
Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. 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.
Работа в тетрадях
В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов – ДНК и РНК. Они могут находиться как в ядре, так и в цитоплазме и ее органоидах.
Схема на доске
2. ДНК
В человеческом обществе информация передается различными способами и посредством различных устройств: азбука Морзе на телеграфе, звуками различной тональности, силы и продолжительности при телефонных разговорах, буквами в печати и т.п. Но живая природа избрала иной, непохожий путь.
Материальный носитель генетической информации у человека и преобладающего множества организмов – дезоксирибонуклеиновая кислота(ДНК).
ДНК – биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономерами являются нуклеотиды.
? Используя знания по химии, составьте схему строения ДНК
- из каких частей состоит нуклеотид?
- какие азотистые основания входят в его состав?
- какой углевод?
Схема строения нуклеотида ДНК
В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой ковалентными связями: дезоксирибоза одного нуклеотида соединяется с остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Две цепи объединяются в единую молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. Пространственная конфигурация азотистых оснований различна (один цикл у пиримидиновых и два цикла у пуриновых) и количество таких связей между разными азотистыми основаниями неодинаково. Вследствие этого они могут соединяться только попарно: А – Т( 2 вод. связи) и Г – Ц ( 3 вод. связи)
В тетрадь. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируются пары А – Т; Г – Ц, называется комплементарностью.
Модель ДНК
Цепи нуклеотидов образуют правозакрученные объемные спирали по 10 оснований в каждом витке. Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна таковой в другой, т.е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены. Сахаро–фосфатные группировки нуклеотидов находятся снаружи, а азотистые основания внутри. Цепи, закрученные друг относительно друга, а также вокруг общей оси, образуют двойную спираль. Такая структура молекулы поддерживается в основном водородными связями.
Структуру нуклеиновых кислот впервые установили амер. биолог Джеймс Уотсон и англ. физик Френсис Крик с помощью англ. биофизика Мориса Уилкинса. Сделать это было не просто. А о том, как открытие свершилось, нам расскажет Наташа Трухина, которая, как будущий медик, интересуется материальными основами наследования.
Доклад « История открытия структуры ДНК»
В 1953 году в одном из номеров 171-го тома «Природы» было напечатано краткое,- как и все «письма к редактору», сообщение «О макромолекулярной структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты». Под заметкой стояли два имени: Ф. Г. К. Крик и Дж. Д. Уотсон. Но именно благодаря этой небольшой — меньше страницы — статье оба имени сразу же стали известны всем ученым, интересовавшимся проблемами наследственности или нуклеиновыми кислотами.
Попытки расшифровать строение молекулы ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа начались еще в первой половине 40-х годов, но снимки выходили столь невразумительными, что сделать по ним какие-либо определенные выводы было невозможно. Однако на сей раз англичанину Уилкинсу с группой сотрудников после долгих трудов удалось сделать отличнейшие фотографии. Но расшифровать их они не могли. Отличные специалисты по изготовлению рентгеноструктурных снимков, они не были большими авторитетами в их расшифровке. И не удивительно: такова степень специализации теперешней науки. Расшифровку снимков суждено было сделать Уотсону и Крику.
Как же выглядит, по их представлениям, молекула ДНК? Скорее всего ее можно сравнить с лестницей-стремянкой, закрученной в спираль. Мы уже говорили, что нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, а каждый нуклеотид состоит из трех частей: сахара, фосфата и основания. Нуклеотиды соединены в длинные цепи таким образом, что основной хребет этой цепи состоит из чередующихся молекул сахара и фосфата, а основания торчат в стороны. Если продолжить наше сравнение с лестницей, то ее стойки представляют собой сахарофосфатные цепи, а основания двух цепей соединены друг с другом, образуя перекладины. Так в общих чертах построена молекула ДНК.
Но самое интересное заключается в другом. Рентгеноструктурный анализ не только показал, что ДНК представляет собой двойную спираль, но дал также диаметр спирали, расстояние между ее витками — словом, все точные размеры. Между тем химики к тому времени уже хорошо знали, как отдельные атомы, входящие в ДНК, соединены друг с другом. Нужно было химические данные привести в соответствие с рентгеноструктурными.
Если бы они сошлись, это бы говорило, что строение ДНК описано верно; если были бы расхождения, это бы свидетельствовало, что модель не соответствует истине. А вогнать все атомы в «лесенку» — задача не такая простая. Атомы могут вступать в химическую связь, только находясь на вполне определенном расстоянии друг от друга, а химические связи должны образовывать вполне определенные углы. Таковы законы строения вещества. И природа требует выполнения своих законов. Расстояния и углы могут колебаться лишь в очень узких границах.
Крик и Уотсон - стали располагать атомы в своей «лесенке» в соответствии с законами природы. Вначале все шло нормально. В «стойки лестницы» все атомы вписывались хорошо, а вот когда дело дошло до «перекладин», получилась крупная загвоздка.
Здесь нам снова придется вернуться к химии. Как мы уже знаем, основания в ДНК четырех разных сортов. Формулы их довольно сложны, и подробно рассматривать их не обязательно. Важно то, что у этих оснований разные размеры. Два из них, тимин и цитозин (сокращенно их обозначают первыми буквами — Т и Ц), относятся к группе так называемых пиримидинов и отличаются сравнительно небольшой величиной. Два других — аденин (А) и гуанин (Г) относятся к пуринам и по размерам почти вдвое превосходят своих пиримидиновых собратьев.
Собственно, нужно запомнить, что два основания большие, а два поменьше. Иногда четыре основания сравнивают с четырьмя карточными мастями. Там тоже пики и трефы побольше червей и бубен.
В греческой мифологии существует страшный рассказ о разбойнике Дамасте по прозвищу Прокруст («Вытягиватель»), который жил возле большой дороги у переправы через реку Кефис. Он ловил путников и укладывал на свою кровать. Если ложе оказывалось слишком длинным для пленника, Прокруст растягивал его, ломая кости, а если оно было короче, чем его гость, то разбойник отрезал излишки. Как известно, справиться с ним удалось только славному сыну Посейдона и Этры знаменитому Тезею. До сих пор часто употребляют выражение «прокрустово ложе», когда говорят об искусственной подгонке под несоответствующую мерку.
Двойная спираль оказалась поистине прокрустовым ложем для пуринов и пиримидинов. Каждую «перекладину лесенки» нужно было соорудить из пары оснований, соединенных друг с другом. Но оказалось, что почти ни одна из пар не подходила для этой цели. Два пурина («черные масти») не влезали внутрь спирали, а два пиримидина («красные») оказывались так далеко друг от друга, что между ними не могла образоваться химическая связь. Только если брали один пурин и один пиримидин, то размеры их в точности соответствовали диаметру спирали. Но и здесь в половине случаев те атомы, которые должны были соединиться, оказывались на разных концах молекулы и не могли образовать химическую связь. Только две пары удовлетворяли всем требованиям: А и Т («пики» и «черви») и Г и Ц («трефы» и «бубны»). Это могло бы показаться неправдоподобным, если бы не совпадало с данными химиков. В опытах Андрея Николаевича Белозерского и Э. Чаргафа было установлено, что во всех образцах ДНК А ровно столько же, сколько Т, а Г столько же, сколько Ц. Несмотря на трудности, все сошлось. Крик и Уотсон убедились в том, что они правы.
Слово учителя. Модель строения молекулы ДНК, предложенная У. и К. , полностью подтвердилась экспериментально.
Благодаря своей спиральной структуре молекулы ДНК компактны. Если бы размотать всю ДНК, содержащуюся в ядре клетки млекопитающего, мы получили бы нить длинной – 2 метра.
Спираль – самая распространенная форма во Вселенной, от атомов до галактик, т.к. обеспечивает компактную упаковку.
В эукариотических клетках ДНК находится в ядре, митохондриях и пластидах.
3. Репликация ДНК.
Молекула ДНК обладает уникальной способностью к самовоспроизведению (к удвоению). Удвоение ДНК – репликация. Под влиянием ферментов водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и молекула « расплетается». Две цепи расходятся и вдоль каждой образуются новые, согласно принципу комплементарности. В результате из одной молекулы ДНК получаются две абсолютно идентичные, только дочерние состоят из одной старой цепи и одной новой.
Таким образом, ДНК передает, хранящуюся в ней информацию о структуре белковых молекул.
4. РНК – рибонуклеиновая кислота.
РНК, так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, близкие к нуклеотидам ДНК.
Работа уч-ся у доски
Схема строения нуклеотида РНК
РНК в отличие от ДНК является одноцепочечной, и немного короче.
В клетке РНК находится в ядре, в цитоплазме, в пластидах, митохондриях, рибосомах.
РНК переносит информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. о структуре белков от хромосом к месту их синтеза, и участвует в синтезе белков.
5. Виды РНК
0,5-1% Информационная РНК (и – РНК) или матричная РНК (м – РНК)
10% от РНК - переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах
Транспортная РНК (т – РНК) - молекулы самые короткие (80 – 100 нуклеотидов). Переносит аминокислоты к месту синтеза белка.
≈90% Рибосомная РНК (р – РНК)
3-5 тыс. нукл. - составляют существенную часть рибосомы и участвует в синтезе белка.
Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит матрицей.
Подробнее с функционированием ДНК и РНК мы поговорим немного позже, при изучении биосинтеза белка.
4 этап. Закрепление.
1. Заполните таблицу:
Сравнительная характеристика РНК и ДНК
Признаки сравнения |
ДНК |
РНК |
1. количество цепей |
|
|
2. азотистые основания в нуклеотидах |
|
|
3. моносахариды в нуклеотидах |
|
|
4. местонахождение в клетке |
|
|
5. функции |
|
|
2. Тест с самоконтролем
Нуклеиновые кислоты
Для названного вещества выберите соответствующие характеристики: 1в. ДНК 2 в. РНК
- Количество цепей в молекуле.
А. Одноцепочечная молекула.
Б. Двухцепочечная молекула. - Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновой кислоты.
А. Содержит аденин, урацил, гуанин, цитозин.
Б. Содержит аденин, тимин, гуанин, цитозин. - Углевод, входящий в состав нуклеиновой кислоты.
А. В состав нуклеиновой кислоты входит рибоза.
Б. В состав нуклеиновой кислоты входит дезоксирибоза. - 4. Местонахождение в клетке.
А. Содержится в ядре, хлоропластах, митохондриях, центриолях, рибосомах, цитоплазме.
Б. Содержится в ядре, митохондриях, хлоропластах. - 5. Функции нуклеиновых кислот.
А. Участвует в хранении, воспроизведении и передаче наследственной информации.
Б. Участвует в передаче наследственной информации.
Ответы.
| 1 в. |
|
2 в. |
1. б |
|
1. а |
2. б |
|
2. а |
3. б |
|
3. а |
4. б |
|
4. а |
5. а |
|
5. б |
Д/З.
- § 40
- Решить задачу. В одной молекуле ДНК тиминовый нуклеотид (Т) составляет 16% от общего количества нуклеотидов. Определите количество (в %) каждого из остальных видов нуклеотидов.