Самая молекула

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК-ЛЕКЦИЯ
"САМАЯ ГЛАВНАЯ МОЛЕКУЛА"
Урок разработан учителем биологии
МБОУ СОШ №18 г-к Анапа Свинаревым В.А.
ЦЕЛЬ УРОКА: на основе интеграции сведений из области химии,
физики, биологии показать состав ДНК, ее свойства, значение в клетке,
историю открытия и перспективы изучения.
ОБОРУДОВАНИЕ:
портреты ученых.
модель
ДНК,
мультимедийный
проектор,
ПЛАН ЛЕКЦИИ:
I. Вступление. История вопроса.
II. Основная часть.
1.Химический состав нуклеиновых кислот.
2.Метод рентгено-структурного анализа.
3.Гипотеза Уотсона-Крика.
III.Заключение. Молекулярная биология –важный фактор развития
биологии
"ДНК - столь важная молекула, что мы никогда
не будем знать о ней слишком много "
Ф. Крик, 1962 г.
I.
Учитель биологии: В ходе изучения химического состава клетки вы
познакомились с различными веществами, имевшими часто довольно
сложное строение и самые разнообразные функции, (беседа с классом о
функциях белков, жиров, углеводов). Но ни одно из них не являлось
носителем наследственной информации, а ведь молекулы такого вещества
составляют основу жизни, они самые главные в клетке. И вот сегодня мы
приглашаем вас познакомиться с этой самой главной молекулой (запись
темы урока на доске).
Вопрос классу: "Какое из изученных вами веществ могло бы
претендовать на эту роль? " (Белки, так как они выполняют различные
функции и имеют достаточно разнообразное строение). В 30-е-40-е годы эту
точку зрения с вами разделило бы большинство ученых. Кроме
перечисленных достоинств белки обладают еще одним – они были
обнаружены в составе клеточного ядра, в хромосомах. А ведь в конце ХIХ
века было установлено, что способность к наследованию признаков
определяется материалом клеточного ядра. Был, правда, еще один
претендент: в 1868 году Ф. Мишер, исследуя химический состав ядер
гнойных клеток, выделил из них вещество кислотного характера, названное,
впоследствии нуклеиновой кислотой (нуклеус-ядро). Но как считало в то
время большинство ученых, носителем информации это вещество быть не
могло, поскольку по своей химической природе оно являлось полимером,
состоящим всего из 4-х мономеров. Поэтому с недоверием были восприняты
результаты группы английских бактериологов под руководством Эвери (1944
г.), которые отводили ведущую роль в передаче наследственной информации
нуклеиновым кислотам. Споры длились 8 лет. Конец им положил
классический эксперимент Херши и Чейза, который убедительно доказал, что
веществом наследственности являются нуклеиновые кислоты (проектор:
демонстрация эксперимента).
II.
1.Учитель химии: Каков же химический состав нуклеиновых
кислот?" Нуклеиновые кислоты - это полимеры. Полимерными молекулами
химики называют длинные цепочки, состоящие из одинаковых или разных
звеньев. Молекулярная масса этих молекул 4-6 млн. у.е . В основе любого
полимера лежит какой-то мономер. Кроме того, эти простейшие структурные
единицы должны быть связаны между собой. Что же является мономерной
единицей нуклеиновых кислот? При изучении строения нуклеиновых кислот
был использован тот богатейший опыт, который накопили химики в ходе
изучения других классов биополимеров, в первую очередь белков. При
гидролизе белков получили различные аминокислоты. Единицами неполного
гидролиза нуклеиновых кислот являются нуклеотиды (проектор:
демонстрация структурных формул нуклеотидов, их составных частей).
Они состоят из остатка молекулы углевода - пентозы, это может быть
рибоза и соединение называется тогда РНК или дезоксирибоза
(обезкислороженная рибоза) в молекуле ДНК, значение которой было
показано Херши и Чейзом в свем эксперименте. В состав нуклеотидов входят
азотистые основания – это гетероциклические соединения, у которых кольцо
состоит не только из атомов углерода, но и атомов других химических
элементов (в данном случае азота). Различают два типа азотистых оснований:
пиримидиновые- шестичленные кольца и пуриновые – соединения,
состоящие из двух конденсированных колец. Последняя составная частьостаток фосфорной кислоты, определяющий кислотный характер
соединения. При образовании нуклеотида последовательно соединяются при
помощи ковалентных связей фосфорная кислота, азотистое основание,
углевод. Мономерные единицы- нуклеотиды соединяются при помощи
фосфороэфирного мостика между 3 и 5 углеродными атомами углеводов. Так
образуется полинуклеотидная цепь - первичная структура ДНК (проектор:
демонстрация изображения одной цепи ДНК). Такими данными располагала
химия 1952 года, благодаря работам английского химика Тодда,
удостоенного за них Нобелевской премии. Для выяснения роли ДНК очень
много значили не понятые в свое время работы Эрвина Чаргаффа, который
показал, что ДНК из разных источников имеют значительные разлтчия в
нуклеотидном составе. Это заставило задуматься: очевидно, в природе
существует бесконечное количество вариантов ДНК. Из анализов Чаргаффа
вытекала интересная закономерность: А = Т, Г = Ц, следовательно, А + Г = Т
+ Ц (правило Чаргаффа).
2.Учитель физики: все эти работы были получены благодаря
классическим методам качественного и количественного анализа. Однако
свойства веществ зависят часто не только от состава, но и от
пространственной конфигурации молекул, для изучения которой в 30-е –40-е
годы стал применяться метод рентгено-структурного анализа. Рентгеновские
лучи знакомы всем. Их используют в медицине при диагностике переломов,
пневмонии, туберкулеза. Физическая природа этих лучей та же, что и у
видимого света и радиоволн - это электромагнитное излучение, но с малой
длиной волны, порядка 10-10 м. Расстояние между атомами в молекулах и
кристаллах имеет тот же масштаб, поэтому при прохождении рентгеновских
лучей через кристаллы веществ возникает дифракционная картина. По
распределению пятен на рентгенограмме и по их яркости можно судить о
взаимном расположении атомов или молекул в кристалле. В 30-е годы,
определив структуру многих веществ, физики обратили свое внимание на
биологические молекулы. Однако потребовалось около двадцати лет, пока
они научились решать столь сложные задачи. В 40- х годах Уильям Астбери
получил рентгенограммы ДНК и установил, что азотистые основания в этой
длинной молекуле должны располагаться как пластинки, одно за другим. А
в1952 году этим вопросом занимались в Лондонском университете Розалинд
Франклин и Морис Уилкинс. Они получили довольно хорошие
рентгенограммы, но не знали, как их интерпретировать.
Молекула напоминала узкую длинную ленту шириной 2 нм,
закрученную в виде спирали, шаг которой составлял 3,4 нм.
3.Учитель биологии: примерно в то же время биолог Джеймс Уотсон
и физик Френсис Крик в Кембриджском университете, используя все
химические и физические данные оказавшиеся в их распоряжении,
пробовали создать пространсвенную модель ДНК. История этих поисков
увлекательно описана Уотсоном в его книге "Двойная спираль". Сопоставив
ширину молекулы (2нм) с нестабильной шириной полинуклеотидной цепи
(пуриновые и пиримидиновые циклы имеют разные размеры), ученые, как и
Уилкинс зашли сначала в тупик. Помощь пришла неожиданно в виде
информации, полученной от Чаргаффа на международном биохимическом
конгрессе в Париже. Тут же стало ясно: молекула могла иметь стабильную
ширину в 2 нм только в том случае, если бы одна полинуклеотидная цепь
дополнялась другой (проектор: демонстрация дополнения одной цепи
другой). Ученые решились сделать это смелое предположение. Какие же
химические взаимодействия будут придавать стабильность такой молекуле?
3.Учитель химии: согласно правилу Чаргаффа основания могут
располагаться строго определенными парами. В любой паре должно быть
одно большое (1,2 нм) пуриновое основание и одно маленькое
пиримидиновое (0,8 нм). Пара не может быть построена только из пуринов
или только из пиримидинов. Кроме того, не всякое пуриновое основание
может достаточно прочно соединяться с пиримидиновым. Аденин образует
пару только с тимином при помощи двух водородных связей, а гуанин за счет
трех водородных связей соединяется только с цитазином, так как эти
комбинации энергетически более устойчивы, что имеет решающее значение
для обеспечения стабильности молекулы. Соединения же аденина с
цитазином и гуанина с тимином образуют энергетически неустойчивые пары.
Отсюда вытекает один очень важный вывод: последовательность
нуклеотидов в одной из двух цепей может быть любой, но тогда в другой
цепи последовательность нуклеотидов будет определяться порядком их в
первой
цепи.
Такие
цепи
называют
комплиментарными
или
дополнительными друг к другу, а принцип, лежащий в основе строения
молекулы – принципом комплиментарности. Вдоль оси молекулы соседние
пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и
объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный
оборот спирали приходится на 3,4 нм, то есть на 10 пар оснований. Уже в
первом своем сообщении в журнале "Природа" в 1953 году Крик и Уотсон
отметили, что структура двойной спирали, основанная на принципе
комплиментарности, очень хорошо объясняет процесс удвоения этой
молекулы. Когда две цепи ее разъединяются к ним могут прикрепляться
новые нуклеотиды, и около каждой из старых цепей образуется новая,
комплиментарная ей. Это было поистине замечательное открытие. Впервые
была предложена структура, которая могла самовоспроизводиться и тем
самым обеспечивать удвоение хромосом.
Давшая начало новому научному направлению статья Д.Уотсона и Ф.
Крика о модели ДНК содержала всего 900 слов. Она заняла менее одной
страницы в журнале "Природа" вместе с библиографией. Полное название
статьи "Молекулярная структура нуклеиновых кислот" опубликована она 25
апреля 1953 года. 900 слов - и целая эпоха в науке! В течение ближайших
трех лет Артур Корнберг и Северо Очоа из Нью-Йоркского университета
удалось обнаружить ферменты, синтезирующие ДНК: достаточно поместить
в подходящую среду нуклеотиды ДНК, фермент ДНК – полимеразу и
фрагмент полинуклеотидной цепи, как в этих условиях начинается синтез
ДНК в пробирке, что являлось блестящим доказательством правильности
предложенной Уотсоном и Криком структуры
ДНК. Значение этих
теоретических и практических исследований получило самую высокую
оценку. В1960 году Нобелевская премия в области физиологии и медицины
присуждается С.Очоа и А.Корнбергу за открытие механизма биосинтеза
нуклеиновых кислот. А в1962 году Нобелевскую премию за открытие
структуры нуклеиновых кислот и ее роли в переносе информации в живом
веществе получают Уотсон, Крик, Уилкинз.
III.
Учитель биологии: возникнув из двойной спирали Уотсона и Крика,
молекулярная биология начала свое стремительное развитие " Темп, который
набрала сегодня молекулярная биология и пугает и изумляет меня" – писал в
одной из своих статей Уотсон. Оценка, данная
темпам развития
молекулярной биологии, справедлива и поныне. Возникли и развиваются
молекулярная генетика и генная инженерия. В последние годы обнаружены
так называемые гены оригинальности: участки ДНК, которые у каждого
организма выглядят по- своему и столь же характерны как отпечатки
пальцев. Созданы автоматы, секвинирующие ДНК (то есть определяющие ее
нуклеотидную последовательность) с огромной скоростью, что сделало
возможным разработку грандиозного проекта определения полной
нуклеотидной последовательности генома человека (проект "Геном
человека"). С таким великим замыслом биология еще не встречалась за всю
историю своего существования, ведь была прочитана структура ДНК общей
длиной 3 млрд. нуклеотидных остатков, что потребовало объединения
усилий многих тысяч специалистов. И не так уж далеко то время, когда мы
будем знать структуру всех белков, из которых состоит человеческий
организм.
Задание на дом: п. 23 (учебник химии), п. 3.2.4. (учебник биологии)