Нуклеиновые кислоты. Генетический код

Цель:

1. Познакомиться с историей открытия НК.
2. Выяснить особенности строения и функций НК , как биополимеров: локализацию этих соединений в клетке.
3. Дать понятие о свойствах генетического кода.
4. Отработать практические умения применять знания об особенностях строения НК, свойствах генетического кода

Оборудование: презентация (Приложение 1), мультимедийное оборудование, модель молекулы ДНК

План урока:

I. Изучение новой темы

1. Из истории открытия нуклеиновых кислот
2. Сравнительная характеристика ДНК и РНК (работа с учебником)
3. Виды РНК и их функции
4.  Генетический код

II. Закрепление

Работа с таблицей “Генетический код”

III. Решение задач

Ход урока.

Актуализация знаний, постановка цели и задач

У: Ребята, обратите внимание на слайд ( Слайд №2) . Какая связь между темой нашего урока и данным рисунком?

У: Что вы знаете о нуклеиновых кислотах?

- Как мы можем сформулировать цель нашего урока

I. 1. Из истории открытия нуклеиновых кислот

Фридрих Иоганн Мишер (Слайд №4)

(1844-1895) родился в Базеле. Окончил с отличием гимназию в этом городе. Посещал музыкальный кружок, в котором участвовали также его отец – профессор патологической анатомии, дядя – профессор физиологии В.Гис, известный химик К.Шёнбейн. В 1868 году окончил Базельский университет В том же году начал исследовать клетки гноя в лаборатории Гоппе-Зейлера в Тюбингене. В 1869 году Мишером была открыта ДНК. Вначале новое вещество получило название нуклеин (лат. Nucleus – ядро), полагая, что оно содержится лишь в ядрах клеток. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию. Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации.

В 1889г.Рихард Альтман ( Слайд №5)

(1852—1900) - немецкий анатом и гистолог, разделил нуклеин, открытый Мишером, на белок и вещество, которое он назвал нуклеиновой кислотой. Эти исследования показали, что в ядрах клеток нуклеиновая кислота находится в комплексе с белком, образуя нуклеопротеид

Фашель (Фёдор) Левин ( Слайд №6)

(1869 – 1940) родился в Ковенской губернии Российской империи (теперь Литва). В 1870 году его семья переехала в Петербург. В1886 году окончил гимназию, получив классическое образование, и поступил в Императорскую Медико-хирургическую академию. Изучал органическую химию на кафедре А.П.Бородина. В ноябре 1891 года он окончил академию и получил диплом лекаря с отличием, а в марте следующего года уехал в США, куда к тому времени перебралась его семья. Занимался частной медицинской практикой, посещал лекции в Колумбийском университете, где опубликовал первую научную статью. Заболев туберкулезом, Левин решил оставить практику и заняться биохимическими исследованиями. Уехал в Европу, работал у Альбрехта Косселя в Марбурге и Эмиля Фишера в Берлине. В 1905 году возглавил биохимическую лабораторию Рокфеллеровского института медицинских исследований, а в 1907 году – отдел химии этого института. В 1909 году Фашель (Федор) Левин, применив щелочной гидролиз, нашел в нуклеиновой кислоте из дрожжей, кроме аденина и гуанина, урацил и цитозин. В это время биохимики еще не знали разницы между дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислотами. Поскольку при щелочном гидролизе ДНК не расщепляется, получилось, что Левин, сам еще этого не зная, определил состав рибонуклеиновой кислоты. По его данным, все азотистые основания содержались в ней примерно в одинаковых количествах.

В 1927 году советский ученый Николай Константинович Кольцов предположил, что наследственные признаки могут быть записаны в структуре большой молекулы, и что они могут воспроизводиться при синтезе новой молекулы на матрице первой, как отливка повторяет форму модели. Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, работавший в Германии, сообщил об этой идее Максу Дельбрюку – физику, начавшему заниматься биологией. Учеником Дельбрюка был Джеймс Уотсон, который вместе с бывшим физиком Френсисом Криком решил понять, как устроена молекула ДНК и каким образом ее структура отвечает за биологические функции.

Открытие двойной спирали ДНК стало одним из важнейших научных событий ХХ века. К нему привели и другие события.

В 1938 году Уильям Астбюри и Флорин Белл провели первый рентгеноструктурный анализ ДНК. Они установили, что расстояние между нуклеотидами в ДНК равно 3,4 A, нуклеотиды взаимодействуют друг с другом, и азотистые основания уложены стопками.

В 1952 г. Исследователи Альфред Херши и Марта Чейз опытным путем подтвердили роль ДНК в передаче наследственной информации

В 1950–1953 годах Эрвин Чаргафф обнаружил в ДНК следующие соотношения нуклеотидов: А=Т; Г=Ц (правило Чаргаффа).

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и “правил Чаргаффа”, согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. К 1953 году было известно, что ДНК состоит из 4 нуклеотидов, а каждый из них – из одного азотистого основания, 5-углеродного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Не было понятно, как эти части соединяются в молекулы ДНК.

Уотсон и Крик (Слайд №7)

сделали модели нуклеотидов и попытались построить из них двойную спираль. Это получилось только после того, когда они догадались перевернуть одну из цепей, так что те шли навстречу друг другу – антипараллельно. Такая модель показывает, как способность ДНК к воспроизводству своей структуры (свойство, лежащее в основе передачи признаков при делении клеток) объясняется ее химическим строением: при копировании ДНК порядок чередования нуклеотидов в одной цепи однозначно задает порядок чередования нуклеотидов в другой цепи, строящейся на первой, как на матрице.
Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.

Френсис Крик родился в Нортхемптоне (Великобритания). В 1937 году окончил Университетский колледж в Лондоне. С 1937 преподавал в Кембриджском университете. С 1939 по 1947 год работал в США. С 1977 года – в Биологическом институте в Сан-Диего (США). Вместе с Джеймсом Уотсоном разработал знаменитую модель ДНК – двойную спираль. В опытах на фагах установил основные принципы генетического кода. Член Лондонского королевского общества (с 1959 года), Национальной Академии наук США, Германской академии наук, почетный член Американской академии искусств и наук (с 1962 года).

Джеймс Дьюи Уотсон (род.1928), США

Джеймс Уотсон родился в Чикаго. Окончил Чикагский университет в 1947 году как зоолог. Работал в Индианском университете. Вирусолог С. Лурия посоветовал ему заняться ДНК. Уотсон поехал в Данию, и немного поработал в Копенгагенском университете, откуда перебрался в Кембриджский. Там Уотсон вместе с Френсисом Криком предложил знаменитую модель ДНК – двойную спираль.

Работал также в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. С 1956 года преподавал биологию в Гарвардском университете. С 1962 года консультант президента США по науке, с 1968 года – директор лаборатории в Колд-Спрингс-Харборе (штат Нью-Йорк). Изучал структуру вирусов и их роль в онкогенезе, исследовал бактериальные рибосомы и роль РНК в синтезе белка.

2. Сравнительная характеристика ДНК и РНК (работа с учебником) (Слайд №8)

У:Пользуясь текстом учебника, заполните таблицу

Признаки	ДНК	РНК
Местонахождение в клетке	Ядро, митохондрии, хлоропласты. Цитоплазма у прокариот	Ядро, митохондрии, хлоропласты, рибосомы, цитоплазма
Местонахождение в ядре	Хромосомы	Ядрышко ядрышковых хромосом
Строение макромолекулы	Двойной неразветвленный линейный полимер, свернутый правозакрученной спиралью	Одинарная полинуклеотидная цепочка
Мономеры	Дезоксирибонуклеотиды	Рибонуклеотиды
Состав нуклеотида: азотистое основание углевод остаток фосфорной кислоты	пуриновые: аденин, гуанин, пиримидиновые — тимин, цитозин дезоксирибоза +	пуриновые: аденин, гуанин, пиримидиновые —урацил, цитозин рибоза +
Свойства	Способна к самоудвоению по принципу комплементарности (дополнительности) А = Т, Т = А, Г = Ц, Ц= Г. Стабильна	Не способна к самоудвоению. Лабильна. (Генетическая РНК вирусов способна к редупликации)
Функции	Хранение и передача наследственной информации	Каждый вид РНК выполняет специфическую функцию

Обсуждение таблицы, работа с моделью

Слайды (9-13)

3. Виды РНК и их функции (Слайд №14)

• и-РНК - информационная — передает код наследственной информации о первичной структуре белковой молекулы, могут состоять из 300-30000 нуклеотидов
• р –РНК - рибосомальная — входит в состав рибосом; на ее долю приходится 80-90% РНК цитоплазмы , её молекулы относительно невелики и состоят из 3 -5 тысяч нуклеотидов
• тРНК – транспортная— переносит аминокислоты к рибосомам, включают 76-85 нуклеотидов
• митохондриальная и пластидная — входят в состав рибосом этих органелл

4. Генетический код

У:

- Как устроены нуклеиновые кислоты мы с вами выяснили. А сейчас нам необходимо выяснить , что представляет собой наследственная информация и каков механизм ее передачи

- Для каждого вида растений и животных характерен свой особый набор белков. Даже у особей одного вида, включая человека, белки различаются по свойствам. Набор белков - это основа индивидуальной и видовой специфичности. Таким образом, определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК , являются кодом, несущим информацию о структуре белка .

З.Т.

Наследственная информация – это информация о первичной структуре молекулы белка (Все свойства живых организмов обусловлены их белками)

У:

- Основное положение молекулярной биологии утверждает, что перенос генетической информации может происходить от ДНК через и-РНК к белку, то есть по схеме:

ДНК → и-РНК → белок.

Наследственная информация о строении белков хранится в молекулах ДНК. ДНК входит в состав хромосом ядра и непосредственного участия в синтезе белков не принимает. Сборка белковых молекул осуществляется на рибосомах в цитоплазме, а информация о белках из ядра к рибосомам поступает через посредника, которым является и-РНК.

Для перевода последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и и-РНК в последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка используется специальный генетический код.

З.Т.:

Генетический код (Слайд №15)

- это последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, определяющая последовательность расположения аминокислот в молекуле белка

Ген – это отрезок молекулы ДНК, несущий информацию об одном белке

Свойства генетического кода: (Слайд №16)

1. Триплетность. Триплет (кодон) - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
2. Избыточность или вырожденность. Т.к. число возможных триплетов составляет 4³ = 64, а аминокислот - 20, то большинство аминокислот кодируется несколькими триплетами. Исключения составляют аминокислоты метионин и триптофан. Каждая из них кодируется только одним триплетом. Для кодирования 20 аминокислот используется 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называется стартовым. С него начинается синтез белка. Три кодона (УАА, УАГ, УГА) несут информацию о прекращении синтеза белка , т.е. отделяют в молекуле ДНК один ген от другого . Их называют триплетами терминации, или нонсенс-кодонами.
3. Неперекрываемость. В молекуле ДНК каждый нуклеотид входит в состав только одного кодона.
4. Однозначность или специфичность. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.
5. Универсальность. Генетический код един для всех живущих на земле существ.
6. Коллинеарность. Последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности нуклеотидов в белке

II.1.Работа с таблицей “Генетический код”

Вопросы для закрепления (Слайд №16)

Ответы (Слайд №17)

III. Решение задач

Запомнить! (Слайд №18)

1. длина 1 нуклеотида = 3,4 А^о
2. размер 1 гена = длина 1 нуклеотида × n (кол-во нуклеотидов)
3. кол-во нуклеотидов = кол-во аминокислот × 3
4. масса 1 гена = кол-во нуклеотидов × массу 1 нуклеотида
5. молекулярная масса 1 нуклеотида =300
6. молекулярная масса 1 аминокислоты = 110
7. Соотношение нуклеотидов в молекуле ДНК, согласно правилу Чаргаффа =А+Г / Т+Ц=1

Решение предлагаемых задач (Приложение2)

1.Определение последовательности аминокислот в первичной молекуле белка с помощью таблицы кодонов и-РНК, и определение массы белковой молекулы.

Задача №1

участок молекул ДНК, кодирующий часть полипептида, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАЦ - АГТ - ГАЦ - ЦАТ ГАА - ЦЦЦ. Определить последовательность аминокислот в полипептиде и найти его массу, если молекулярная масса аминокислоты равна 110.

2. Определение структуры, длины и массы гена кодирующего полипептидную цепь.

Задача №2

Полипептид состоит из следующих аминокислот: аланин - глицин-валин - лизин - глутаминовая кислота - серин - триптофан - треонин.

Определите структуру участка ДНК, кодирующего вышеуказанный полипептид, найдите длину и массу гена.

Определение количественного соотношения нуклеотидов, входящих в ДНК и РНК.

Задача №3

в составе фрагмента ДНК обнаружено 1020 нуклеотидов, из которых 120 нуклеотидов представляют собой неинформативные последовательности, то есть интроны.

Определить:

а) Какова длина первоначальной и-РНК? б) Какова длина матричной РНК?

в) Сколько аминокислот входит в состав синтезируемого полипептида?

Задача №4

В и-РНК находится 90 гуаниновых нуклеотидов,28% адениновых, 20% урациловых и 22% цитозиновых. Каково число аминокислот закодировано в этой и-РНК, и какова масса закодированного полипептида? Чему равна масса, длина и соотношение нуклеотидов в двухцепочечной ДНК, с одной из цепей которой снималась данная и-РНК?

Используемая литература:

1. Абитуриенту Владивостокского государственного медицинского университета: Учебное пособие.( Под редакцией академика Ю.В.Каминского). - Владивосток, 1998- 213 с.
2. Богданова Т.Л., Солодова Е.А.Биология: справочник для старшеклассников и поступающих в вузы 3-е изд. – М.: АСТ - ПРЕСС ШКОЛА, 2006. – 816 с.
3. Веревкина Л.В. Сборник задач по биологии: Учебное пособие. - Владивосток; ВГМУ, 2004. - 176с.
4. Высоцкая Л.В., С.М.Глаголев, Г. М. Дымшиц и др Общая биология: учеб. Для 10-11 кл. с углубл. изуч. М.: Просвещение, 1995. – 544с.
5. Генетика.учеб.пособие по факультативному курсу для учащихся X кл.: М., “Просвещение”, 1977.- 176с.

Приложение.