БИОПОЛИМЕРЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ДНК - ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ - КЛЕТКА — ЕДИНИЦА ЖИВОГО

Задачи. Рассмотреть виды нуклеиновых кислот, места их локализации в клетке и функции. Сформировать знания о строении ДНК: строение отдельного нуклеотида, соединение нуклеотидов в одну цепь, соединение цепей нуклеотидов в одну молекулу ДНК, основанную на принципе комплементарности. Повторить материал и проконтролировать знания учащихся по теме «Свойства и функции белков».

Оборудование. Демонстрационный материал: таблицы по общей биологии, модель молекулы ДНК, кодограмма (приложение 1).

Ход урока:

Повторение. Письменная работа с карточками на 10 мин.

1. Общая формула аминокислот, функциональные группировки. Свойства аминокислот.

2. Состав белков. Простые и сложные, полноценные и неполноценные белки.

3. Характеристика структур белков — первичной, вторичной, третичной, четвертичной.

Работа у доски: записать формулу образования дипепгида.

Работа с карточкой у доски: приложение 2.

Компьютерное тестирование: приложение 3.

Устное повторение.

Изучение нового материала. Объяснение с помощью таблиц, кодограммы (приложение 1).

Характеристика ДНК. К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат С, Н, О, Р и N. В зависимости от углеводного компонента нуклеотидов различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Значение нуклеиновых кислот для живых организмов заключается в обеспечении хранения, реализации и передачи наследственной информации.

Молекулы ДНК являются полимерами, мономерами которых являются дезоксирибоиуклеотиды, образованные остатком пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы, остатком азотистого основания (пуринового — аденина, гуанина или пиримидинового — тимина, цитозина) и остатком фосфорной кислоты.

Трехмерная модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком. За свои исследования они были удостоены Нобелевской премии.

Э. Чаргафф, обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, выявил следующую закономерность: в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину. Это положение получило название «правила Чаргаффа»:

Дж. Уотсон и Ф. Крик воспользовались этим правилом при построении модели молекулы ДНК.

ДНК представляет собой двойную спираль. Ее молекула образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси. Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов — 3,4 нм. Длина молекулы — до нескольких сантиметров. Молекулярный вес составляет десятки и сотни миллионов (для двойной спирали). В ядре клетки человека общая длина ДНК около 2 м.

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот. Молекула нуклеотида состоит из трех частей: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и фосфорной кислоты. Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с атомами углерода входят атомы других элементов, в частности азота. За присутствие в этих соединениях атомов азота они и получили название азотистых, а поскольку обладают щелочными свойствами — оснований. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, имеющего в составе своей молекулы одно кольцо. К наиболее распространенным пиримидиновым основаниям относятся тимин, цитозин. Пуриновые основания являются производными пурина, имеющего два кольца. К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин.

Помимо азотистых оснований в образовании нуклеотидов принимает участие углеводный компонент, который представлен дезоксирибозой, относящейся к пентозам. Третьим компонентом нуклеотидов является остаток фосфорной кислоты — фосфат. Именно наличие фосфата придает нуклеиновым кислотам свойства кислот.

Названия нуклеотидов отличаются от названий соответствующих оснований. И те, и другие принято обозначать заглавными буквами:

Азотистое основание	Нуклеотид	Обозначение
Аденин	Адениловый	А
Гуанин	Гуаниловый	Г или G
Цитозин	Цитидиловый	Ц или С
Тимин	Тимидиловый	Т

Одна цепь нуклеотидов образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3'-углеродом остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложноэфирная связь. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи. Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой — 3'-углеродом (3'-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК удерживаются друг около друга благодаря возникновению водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов, располагающихся друг против друга. Спаривание нуклеотидов не случайно, в его основе лежит принцип комплементарного взаимодействия пар оснований: против аденина одной цепи всегда располагается тимин на другой цепи, а против гуанина одной цепи — всегда цитозин другой, то есть аденин комплементарен тимину и между ними две водородные связи, а гуанин — цитозину (три водородные связи). Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом. Таким образом, последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой. Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), то есть против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой. На периферию молекулы обращен сахаро-фосфатный остов, образованный чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Внутрь молекулы обращены азотистые основания.

Самоудвоение молекулы ДНК. Одним из уникальных свойств молекулы ДНК является ее способность к само- удвоению — воспроизведению точных копий исходной молекулы. Благодаря этой способности молекулы ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления. Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией. Репликация — сложный процесс, идущий с участием ферментов (ДНК-полимераз). Репликация осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула ДНК раскручивается и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной.

В материнской ДНК цепи антипараллельны. ДНК- полимеразы способны двигаться в одном направлении — от 3'-конца к 5'-концу, строя дочернюю цепь антипараллельно — от 5' к 3'-концу. Поэтому ДНК-полимераза передвигается в направлении 3' → 5' по одной цепи (3'—5'), синтезируя дочернюю. Эта цепь называется лидирующей. Другая ДНК-полимераза движется по другой цепи (5'—3') в обратную сторону (тоже в направлении 3' → 5'), синтезируя вторую дочернюю цепь фрагментами (их называют фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации сшиваются в единую цепь. Эта цепь называется отстающей. На цепи 3'—5' репликация идет непрерывно, а на цепи 5'—3' — прерывисто.

Во время репликации энергия молекул АТФ не расходуется, так как для синтеза дочерних цепей при репликации используются не дезоксирибонуклеотиды (содержат один остаток фосфорной кислоты), а дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (содержат три остатка фосфорной кислоты). При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование сложноэфирной связи между нуклеотидами.

Закрепление. Беседа. Работа учащихся с тетрадью и кодограммой.

Задание на дом. Изучить текст параграфа, ответить на вопросы.

Приложение 1. Кодограмма к уроку

Тема: Нуклеиновые кислоты. ДНК. § 4 до РНК (Вопр. 1, 2, 4—6)

Характеристика ДНК

1—5% сухой массы клетки. Виды: ДНК (в ядре, митохондриях, пластидах); РНК (еще и в цитоплазме)

Строение. 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик — модель.

Правила Чаргаффа: 1. Содержание А = Т, Г = Ц в любой ДНК. 2. Сумма пуриновых (А + Г) равна сумме пиримидиновых нуклеотидов (Т + Ц).

Двойная спираль нуклеотидов, до 8 см длиной (!), всего в ядре у человека около 2 м ДНК.

Антипараллельность? Комплементарность?

Нуклеотиды: адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц).

Удвоение (репликация) — полу консервативным способом: одна цепь неизменна, матрица, другая образуется из свободных нуклеотидов.

Необходимы: ДНК, ферменты (ДНК-полимераза), нуклеотиды.

Функции ДНК. Хранение и передача наследственных свойств.

Приложение 2. Карточка для работы у доски

Запишите номера вопросов, против них — правильные ответы.

1. Что образуется при окислении 1 г белка?

2. В пробирки с пероксидом водорода поместили кусочек вареной колбасы, хлеба, моркови, рубленого яйца. В одной из пробирок выделялся кислород. В какой?

3. Какие свойства характерны для ферментов?

4. Что является ключом, а что замком в фермент-субстратном комплексе, согласно гипотезе Фишера?

5. Чем вызывается необходимость присутствия в пище витаминов?

6. Как называется восстановление структуры белковой молекулы после денатурации?

7. В результате какой реакции образуется пептидная связь?

8. Между какими группировками аминокислот образуется пептидная связь?

9. Какие связи стабилизируют вторичную структуру белков?

10. Какие связи стабилизируют третичную структуру белковой молекулы?

Записав ответы, садитесь на место.

Приложение 3. Компьютерное тестирование

Задание 4. «Свойства и функции белков»

**Тест 1. Что образуется при окислении 1 г белка?

1. Вода.

2. Углекислый газ.

3. Аммиак.

4. 17, 6 кДж энергии.

5. Мочевина.

6. 38,9 кДж энергии.

Тест 2. В пробирки с пероксидом водорода поместили кусочек вареной колбасы, хлеба, моркови, рубленого яйца. В одной из пробирок выделялся кислород. В какой?

1. С кусочком вареной колбасы.

2. С кусочком хлеба.

3. С кусочком моркови.

4. С кусочном рубленого яйца.

**Тест 3. Какие суждения верны?

1. Ферменты специфичны, каждый фермент обеспечивает реакции одного типа.

2. Ферменты универсальны и могут катализировать реакции разных типов.

3. Каталитическая активность ферментов не зависит от pH и температуры.

4. Каталитическая активность ферментов напрямую зависит от pH и температуры.

**Тест 4. Какие суждения верны?

1. Фермент — ключ, субстрат — замок, согласно теории Фишера.

2. Фермент — замок, субстрат — ключ, согласно теории Фишера.

3. После каталитической реакции фермент и субстрат распадаются, образуя продукты реакции.

4. После каталитической реакции фермент остается неизменным, субстрат распадается, образуя продукты реакции.

**Тест 5. Какие суждения верны?

1. Витамины являются кофакторами ферментов.

2. Все белки являются биологическими катализаторами, ферментами.

3. При замерзании происходит необратимая денатурация ферментов.

4. Ренатурация — утрата трехмерной конфигурации белка без изменения первичной структуры.

Тест 6. Какая функциональная группировка придает аминокислоте кислые, какая — щелочные свойства?

1. Кислые — радикал, щелочные — аминогруппа.

2. Кислые — аминогруппа, щелочные — радикал.

3. Кислые — карбоксильная группа, щелочные — радикал.

4. Кислые — карбоксильная группа, щелочные — аминогруппа.

Тест 7. В результате какой реакции образуется пептидная связь?

1. Реакция гидролиза.

2. Реакция гидратации.

3. Реакции конденсации.

4. Все вышеперечисленные реакции могут привести к образованию пептидной связи.

Тест 8. Между какими группировками аминокислот образуется пептидная связь?

1. Между карбоксильными группами соседних аминокислот.

2. Между аминогруппами соседних аминокислот.

3. Между аминогруппой одной аминокислоты и радикалом другой.

4. Между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой.

Тест 9. Какие связи стабилизируют вторичную структуру белков?

1. Ковалентные.

2. Водородные.

3. Ионные.

4. Все вышеперечисленные.

**Тест 10. Какие связи стабилизируют третичную структуру белков?

1. Ковалентные.

2. Водородные.

3. Ионные.

4. Гидрофильно-гидрофобное взаимодействие.