Модель структуры ДНК (разборная)

1.Назначение

 

Модель дезоксирибонуклеиновой кислоты используется для демонстраций в разделах “Человек и его здоровье” и “Общая биология”. Модель также может быть использована при изучении курса биологии на базовом уровне, а также при углубленно-профильном изучении биохимии.

 

2. Комплекс оборудования

 

На уроках модель может быть продемонстрирована в комплексе с печатными таблицами, видеоматериалами, портретами ученых, изучавших строение нуклеиновых кислот. Модель упрощена, адаптирована к школьной программе.

 

Модель представляет многократно увеличенный виток спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты. На модели приняты следующие условные обозначения:

 

Принятые формы условны. Следует обратить внимание, что компоненты модели смонтированы на вертикальной оси, которая сама не является компонентом. В ДНК эта ось воображаемая.Химические связи в модели не показаны. При необходимости учитель использует структурные формулы, данные в методических рекомендациях. Во время демонстрации модели учитель обращает внимание учащихся на три составляющих ДНК, комплементарность нуклеотидов и их расположение в цепи. Комплементарность нуклеотидов схематично подтверждается их взаимодополняющей формой по типу “ключ-замок” и окраской.

3. Материалы для учителя

 

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1896 году швейцарским ученым-биохимиком Мишером и назвали так потому, что эти вещества обладали кислотными свойствами и находились главным образом в ядре клетки (от латинского слова “нуклеос”). Основная масса ДНК содержится в клеточном ядре, а также в других клеточных органоидах, например, в хлоропластах зеленых растений.

 

Теперь эти вещества называют полинуклеотидами. Нуклеиновые кислоты является полимерами. Мономеры последовательно связаны между собой и представляют собой нуклеотиды. Имеются четыре типа нуклеотидов. Каждый нуклеотид – сложное образование и состоит из остатка одной молекулы фосфорной кислоты, молекулы моносахарида (рибозы и дезоксирибозы) и азотистого основания. Как известно, моносахариды называются простыми сахарами. Они состоят из одной молекулы представляют собой твердые кристаллические вещества, растворимые в воде и сладкие на вкус. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу, различают триозы – моносахариды, содержащие три атома углерода, тетрозы-четыри атома углерода, пентозы – пять атомов углеродов, гексозы – шесть атомов углерода. Пентозы широко распространены в растительном и животном мире. К ним относятся рибоза и дизоксирибоза.

 

Рибоза и дизоксирибоза никогда не встречаются в одном нуклеотиде, в одной молекуле нуклеиновой кислоты. Друг с другом связываются либо одни рибонуклеотиды, либо дезоксирибонуклиотиды. Отсюда название нуклеиновых кислот – рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).

 

Азотистые основания обладают слабо выраженными основными свойствами. В нуклеиновые кислоты входят два типа оснований. Одни из них относятся к группе пиримидинов, основу которого составляет шестичленное кольцо. Другие основания – это представители группы пуринов.

 

У пуринов к пиримидиновому кольцу присоединено еще пятичленное кольцо.

 

Дезоксирибоза, соединяясь с пуриновым или пиримидиновым основанием посредством атома азота образует соединение нуклеотид.

 

Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты, образуют более сложные соединения – нуклеотиды.

 

Они являются мономерами нуклеиновых кислот.

 

Таким образом, ДНК состоит из последовательно соединенных друг с другом друг дезоксирибонуклеотидов, каждый из которых содержит какое-то одно из четырех оснований – аденин, цитозин, гуанин или тимин. Макромолекула ДНК состоит из двух цепей, протяженность которых, колеблется в широких пределах – от 77 до нескольких миллионов нуклеотидов.

 

В ДНК входят два пурина – аденин (А) и гуанин (Г), два пиримидина и цитозин (Ц) и тимин (Т). Размеры А и Г несколько больше, чем Ц и Т.

 

Нуклеиновый состав ДНК в 1905 г. впервые проанализировал английский биохимик Эдвин Чиграфф. Кроме того, он обнаружил, что нуклеотиды расположены друг за другом на расстоянии 0,34 нм (нанометра), а на один виток спирали их приходится 10. Диаметр молекулы ДНК составляет 2 нм. Двойные цепи закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси.

 

В 1953 году американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик, исследуя молекулу ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания – в середине. Причем последние ориентированы таким образом, что между основаниями на противоположных цепях могут образовываться водородные связи.

 

Из построенной ими модели выяснилось, что какой-либо пурин в одной цепи всегда связан с одним из пиримидинов в другой цепи. Такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Аденин всегда соединен с тимином двумя водородными связями, а гуанин с цитозином –тремя водородными связями. Следовательно, каждая из пар оснований обладает симметрией, позволяющая ей включиться в двойную спираль в двух ориентациях: А-Т и Т-А, Г-Ц и Ц-Г.

 

 

Таким образом, каждой цепи ДНК основания могут чередоваться всеми существующими способами. Если извесна последовательность оснований в одной цепи, то благодаря принципу комплементарности (дополнительности) становится известной последовательность оснований в другой цепи.

 

Водородные связи, стабилизирующие пары оснований в обоих цепях ДНК, относительно слабы. Но каждая молекула ДНК содержит так много пар, что в физиологических условиях (температура pH) комплементарные цепи никогда не разделяются.

 

В начале 50-ых годов большая группа ученых под руководством английского ученого А. Тодда установила точную структуру связей, соединяющих нуклеотиды одной цепи. Все эти связи оказались одинаковыми: углеродный атом и 5- положений остатка дезоксирибозы одного нуклеотида соединяется через фосфатную группу с углеродным атомом и 3- положения соседнего нуклеотида.

 

А. Тодд с сотрудниками пришли к выводу, что полинуклеотидные цепи ДНК, также как и полипептидные цепи белка, строго линейные. Регулярно расположенные связи между сахарами и фосфатными группами образуют скелет ДНК. Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а основания внутри и расположены внутри с интервалом 0,34 нм под прямым углом к оси молекулы. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями.

 

На основании своей модели Дж. Уотсон и Ф. Крик предполагали, что гены друг от друга чередованием пар нуклеотидов и наследственная информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов.

 

В структуре ДНК могут происходить изменения в чередовании нуклеотидов. В этом случае возникают мутации. В структуре ДНК заложена возможность так называемой ковариантной редупликации. Этот термин введен русским генетиком Н. В. Тимофеевым-Ресовским и означает способность живых организмов воспроизводить себе подобных.

 

Редупликация (удвоение) ДНК - ферментативный процесс. Он происходит при делении клеток. Спиральная двухтяжевая спираль ДНК начинает раскручиваться с одного конца. На каждой цепи их находящийся в окружающей среди свободных нуклеотидов собирается новая цепочка, построенная в точном соответствии с принципом комплементарности. ДНК задает порядок расположения нуклеотидов, а процесс редупликации осуществляет белок – фермент.

 

Зав. Лаб. ИОСО, доктор педагогических наук Пугал Н. А.