Модель структуры ДНК

Структура ДНК   http://uchteh.ru/mschool/5783/6031/6064.html 
 

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:

остаток фосфорной  кислоты – круг, расположенный  на периферии модели;

пятиугольник  белого цвета – дезоксирибоза;

цветные многоугольники – азотистые основания аденин, тимин, гуанин, цитозин;

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 (рис.1)

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 (рис.2).

У пуринов  к пиримидиновому кольцу присоединено еще пятичленное кольцо (рис.3)

Дезоксирибоза, соединяясь с пуриновым или пиримидиновым основанием посредством атома азота образует соединение нуклеотид (рис 4).  

Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой  фосфорной кислоты, образуют более  сложные соединения – нуклеотиды (рис.5) 

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 (рис.6.а) и (рис 6.б).

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 (рис.7)

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.