Терміни і поняття: правила Чаргаффа, комплементарність, концепція подвійної спіралі, хроматин, плавлення ДНК.
Функція ДНК. Питання про речовину, з якої побудовані гени, залишалось нез’ясованим навіть тоді, коли генетики вже зробили свої перші й, мабуть, головнінаукові відкриття. Спочатку вчені вважали, що роль речовини-носія спадковості відіграють особливі білки, що містяться в ядрі. Адже серед біологічних молекул саме білки мають найрізноманітнішу будову, а тому, на перший погляд, можуть забезпечити успадкування величезного числа ознак і функцій, властивих будь-якому організму. ДНК, на думку вчених того часу, не могла мати до цих механізмів безпосереднього стосунку, оскільки її будова занадто одноманітна, а тому їй призначали лише роль зберігана Фосфору в клітині.
Роль ДНК у клітині та її молекулярна просторова будова залишались таємницею для декількох поколінь учених і лише в 40-50-х роках XX ст. було встановлено, що ДНК має одну-єдину функцію — зберігання та передачу потомству спадкової інформації.
Першими кроками, що дозволили розгадати таємницю ДНК як зберігана генетичної інформації, стали досліди кількох наукових шкіл, здійснені в 1940-х роках. Вагомий внесок у розв’язання цієї наукової проблеми зробив український генетик Сергій Михайлович Гершен-зон. Він одним з перших довів, що ДНК є «генетичною речовиною». Хід експериментів, які він проводив, був таким.Мушок-дрозофіл поміщали в пробірки з поживним середовищем, у якому містилася велика кількість чистої ДНК. У такихпробірках виявився надзвичайно великий відсоток особин згенетичними порушеннями (мутаціями). До цих порушень непризводило додавання білків, вуглеводів, ліпідів, вітамінів табудь-яких інших біологічних молекул. Тому був зроблений висновок: саме ДНК має безпосередній стосунок до зберігання йпередачі спадкової інформації, але питання про механізм дії цієї генетичної речовини та структури її молекул залишалися нез’ясованими до 50-х років XX ст.
Будова ДНК. Дослідження нуклеотидного складу ДНК різних видів організмів, а також пошук кількісних закономірностей у співвідношеннях нуклеотидів було розпочато в 1949-1951 рр. групою дослідників, очолюваних Ервіном Чаргаффом (1905—2002). Зокрема ними була встановлена дивна закономірність. Виявляється кількістьаденіну в молекулі ДНК дорівнює кількості тиміну (А = Т), акількість гуаніну — цитозину (Г = Ц). Відповідно сумарна кількість аденіну та гуаніну буде дорівнювати сумарній кількостітиміну та цитозину (А + Г = Т + Ц). Згодом ці закономірностістали називати правилами Чаргаффа.
Спроба встановити константу в співвідношенні (A + Т) / (Г + Ц) не була успішною. Виявилось, що відношення числапар нуклеотидів А + Т до числа пар Г + Ц змінюється залежновід виду організму.
Відкриття подвійної спіралі ДНК. Фактами, що послужили для розкриття просторової структури ДНК, були не лише дані про співвідношення нуклеотидних основ, отримані Е. Чаргаффом, а й результати рентгенівського аналізу кристалів натрієвої солі ДНК. На рентгенограмах,
які отримали англійські фізики Моріс Вілкінс (1916-2004) і Розалінда Франклін (1920-1958), було видно, що ДНК має спіральну структуру.
Однак честь відкриття структури ДНК належить двом іншим англійським ученим — Джеймсу Ватсону та Френсісу Кріку. Вони змогли першими створитидостовірну модель ДНК, яку тепер називають моделлю подвійної спіралі.
Ця модель вдало поєднує у собі дві виявлені на той час особливості: спіральну форму молекули та її подвійну будову.
Сучасні уявлення про структуру ДНК. Як і білки, ДНК має первинну структуру — просту послідовність нуклеотидів і тривимірну геометричну будову. Заразосновні положення моделі Ватсо-на та Кріка про молекулярну організацію ДНК підтвердились. Молекула ДНК складається з двохполінуклеотидних ланцюгів; кожний ланцюг закручений як правийгвинт навколо однієї й тієї самоїосі, утворюючи подвійну спіраль.
На один виток спіралі припадає 10 нуклеотидів (іл. 8.1).
Ланцюги ДНК побудовані із залишків дезоксирибози, сполучених містками за допомогою залишку ортофосфатної кислоти;ланцюги спрямовані в різні боки.
Полінуклеотидні ланцюги з'єднані між собою водневими зв'язками, що виникають між азотистими основами різних ланцюгів, які розміщені один навпроти одного. Між аденіном і тиміном різних ланцюгів утворюються два водневих зв'язки (А = Т), а між гуаніном і цитозином — три (Г = Ц).
Водневі зв'язки доволі слабкі, але завдяки багаторазовій повторювальності вони утворюють дуже міцну структуру, яка водночас є лабільною. Це надає спіралі ДНК можливість легко розкручуватись, а потім знову швидко відновлюватидволанцюгову структуру.
Азотитсті основи А і Т, Г і Ц, подібно до двох частин одного розбитого блюдця, геометрично доповнюють одна одну. Здатність доповнювати, яка притаманна поверхням молекул деяких хімічних сполук, називають колтлементарністю (відлат. колтлементум — доповнення). Отже, якщо на якійсь ділянці ланцюга послідовно розташовані нуклеотиди А, Т, Г, Ц, то на протилежній ділянці за принципом
комплементарності розмістяться T, А, Ц, Г. На послідовність нуклеотидів молекули, а також на довжину ланцюга не існує жодних обмежень. Така модель подвійної спіралі чітко обґрунтовує відповідність числа азотистих основ у молекулі ДНК.
ДНК у клітинному ядрі. Як показали спеціальні розрахунки, довжина молекули ДНК у клітині людини в нормальному стані становитьблизько 8 см. Звідси природно виникає питання: у який же спосіб така довга молекула укладається в клітинне ядро? Виявляється, що в ядріклітини ДНК перебувають у суперспіралізовано-му стані й на один виток спіралі може припадати значно більше, ніж 10 нуклеотидів. Крім того,в ядрі ДНК взаємодіє з білками, які мають лужні властивості й утворюють речовину хроматин(від грецьк. хрома — колір, забарвлення), якаукладається певним способом: схоже, як намотується нитка на котушку (іл. 8.2).
Плавлення ДНК. Під впливом високих температур або інших фізичних чи хімічних факторів ДНК, як і білок, втрачає притаманну їй тривимірнугеометричну форму та розпадається на одинарніланцюги. Цей процес відбувається за температури+70 °С — значно вищій від температури денатурації білків, а тому має назву плавлення. Після зниження температури початкова структура ДНК, навідміну від білків, повністю відновлюється.
ДНК виконує одну-єдину функцію — зберігання спадкової інформації. Молекули ДНК мають форму подвійної спіралі, що складаються з двох ланцюгів, які доповнюють один одного за принципом комплементарності та мають чітко визначену просторову структуру.
1. У чому полягали перші докази, що ДНК є генетичною речовиною? 2. У чомусуть правила еквівалентності числа азотистих основ у молекулі ДНК? 3. Що такекомплементарність? 4. Назвіть головні положення концепції подвійної спіралі.5. Чому денатурацію ДНК називають плавленням?
• Між якими нуклеотидами різних ланцюгів зв’язки міцніші: гуаніловим і цити-диловим чи аденіловим і тимідиловим?
• Чому ДНК має дволанцюгову структуру?
Ua6ofiariio{ine дослідження №> /
Тема. Властивості ферментів на прикладі дії каталази.
Мета роботи: з’ясувати роль ферментів у біохімічних процесах: 1) порівняти активність ферменту в живих і мертвих тканинах рослин; 2) обгрунтувати значення ферменту каталази в клітинах рослин.
Обладнання та матеріали: свіжий 3 % розчин гідроген пероксиду, мікроскоп, живий листок елодеї (чи іншої кімнатної рослини), мертвий листок елодеї (після китятіння), піпетка, пінцет, предметне скло, покривне скло, серветка, склянка з водою.
Теоретична частина. Усі реакції в організмах відбуваються під дією біологічних каталізаторів — ферментів. Ферменти прискорюють реакції у мільйони разів, але не здатні здійснювати реакції, які взагалі не можу ть відбуватися за звичайних умов. В основі роботи фер-мента лежить його взаємодія із субстратом — речовиною, на яку він діє, але під час реакцій фермент ніколи не витрачається. Каталаза — це фермент який здійснює реакцію розпаду гідроген пероксиду: 2Н202 —> 2 Н,О + 02.
Хід роботи.
1. Налаштуйте мікроскоп, виставивши потрібне збільшення. Приготуйте препарат листка елодеї. Розгляньте препарат під мікроскопом та замалюйте кілька клітин листка.
2. Капніть на мікропрепарат краплю гідроген пероксиду і знову розгляньте препарат підмікроскопом. Поясніть спостережуване явище.
3. Нанесіть краплю гідроген пероксиду на мертвий листок елодеї та опишіть спостережуване явище.
4. Заповніть протокол лабораторного дослідження:
• зазначте збільшення мікроскопа, на якому проводилося дослідження;
• запишіть результат спостереження;
• запишіть пояснення явища.
Тема. Розв’язання елементарних вправ зі структури білків та нуклеїнових кислот.
Теоретична частина. Молекули ДНК мають форму спіралі й складаються з двох поліну клеотидів, що сполучені між собою за принципом комплементарності водневими зв’язками. Гуаніловому нуклеотиду комплементарний цитозиновий, а тиміновому — аденіловий. Повний оберт спіралі, або один крок — це оберт ланцюга на 360°. На оберт припадає 10 парнуклеотидів, довжина одного крока становить 3,4 нм, а відстань між нуклеотидами — 0,34 нм.Середня маса одного нуклеотида становить 345 а. о. м.
Молекули ДНК відрізняються від РНК за складом нуклеотидів і кількістю полінуклео-тидних ланцюгів у молекулі.
Молекули білка — це лінійні поліпептиди, мономером яких є амінокислотний залишок. Його довжина в молекулі білка становить 0,35 нм, а маса — ПО дальтонів. Усього до складу білків входить 20 амінокислот, які за своїми фізичними та хімічними властивостями поділяють на чотири групи: неполярні, полярні, кислі (аспарагінова та глутамінова кислоти) таосновні (лізин та аргінін). Комбінація цих амінокислот визначає заряд молекули та її хімічні властивості.
Розв 'яжіть задачі та вкажіть правильні відповіді.
1. Укажіть правильну послідовність нуклеотидів на другому ланцюзі ДНК, якщо на першомувона має такий вигляд: АГТАЦЦГ АТАЦТЦГ А.
А АГТАЦЦГATАЦТЦГА Б АГЦТЦАТАГЦЦАТГ
В ТЦАТГГЦТАТГАГЦТ Г ТЦАТААЦТАТГАГЦТ
2. Укажіть частку гуанілового нулеотиду в молекулі ДНК, якщо частка аденілового становить 25 %.
А 5%Б25%В50%Г75%
3. Укажіть довжину полінуклеотидного ланцюга в нм, якщо він складається з 345 нуклеотидів.
А 103,5Б116,96В117,3Г117,64
4. Укажіть кількість амінокислот, які входять до молекули білка, що важить 36 630 дальтонів.
А 113Б233В333Г363
5. Укажіть полінуклеотид, який є частиною РНК.
А А АА АА ААЦЦЦЦЦЦ Б Т Т Т Т Т Т Т Т Т Г Г Г Г Г Г Г
В ГГГГГГГГЦЦЦЦЦЦ Г УУУУУУУАААААА
1. Наука, яка вивчає форму тіла організму в усіх її деталях
А систематика Б морфологія В анатомія Г зоологія
2. Рівень організації, до якого належить амеба
А клітинний Б організмовий
В молекулярно-генетичний Г клітинний та організмовий
3. Метод наукового дослідження екологічного стану річки протягом 20 років
А метод спостереженняБекспериментальнийметод
В метод історичного аналізуГметод моніторингу
4. Хімічні елементи, які називають макроелементами
А Карбон, Оксиген, Гідроген та Нітроген
Б частка яких не менша ніж 0,01 %
В що входять до складу органічних сполук
Г частка яких не менша ніж 1 %
5. Особливість молекули води, яка зумовлює її таке вагоме біологічне значення
А полярністьБвеликі розміри
В дрібні розміриГхімічна інертність
6. Функція яку, виконує йон Mg2+ у клітинах рослин
А зумовлює подразливість
Б входить до складу хлорофілу
В є складовою рослинних гормонів
Г входить до складу клітинної оболонки
7. Тварина, у якої вода формує опору тілу
А амеба Б планаріяВ губкаГ аскарида
8. Укажіть коректне визначення ліпідів
А гідрофобні сполуки
Б сполуки, що є і спиртами, і альдегідами
В сполуки на основі пептидних зв’язків
Г особливі біологічні полімери
9. Сполука, яка належить до жироподібних речовин
А олеїнова кислота Б холестерин В камедь Г хітин
10. Головна функція глюкози в організмі людини
А енергетичнаБсинтетичнаВрезервнаГгенетична
11. Мономер целюлози
А фруктозаБмальтозаВглюкозаГгалактоза
12. Особливість амінокислоти як хімічної сполуки
А полярністьБгідрофобністьВінертністьГамфотерність
13. Увідповідніть типи органічних сполук та їх функції в організмі людини
1 ДНКАрегулює етапи синтезу білка
2 ферментБбіологічний каталізатор
3 РНКВє основою для синтезу статевих гормонів
4 глікогенГзапасальна речовина
Д зберігач генетичної інформації
14. Складіть характеристику для молекули гемоглобіну, вибравши правильні відпові,
|
Тип макромолекули |
Функція |
Функціональна структура |
|||
|
1 2 3 |
білок нуклеїнова кислота полісахарид |
1 2 3 |
захисна сигнальна транспортна |
1 2 3 |
вторинна первинна четвертинна |
Це матеріал з підручника Біологія 9 клас Межжерін