Підручник Біологія 9 клас - С. В. Межжерін - Підручники і посібники 2017

ТЕМА 1. ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ ТА БІОЛОГІЧНІ МОЛЕКУЛИ

§ 8. Будова ДНК

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, головні наукові 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.

Сергій Гершензон (1906-1998)

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 зберігача 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 зберігача 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 Гершензон. 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 таких пробірках виявився надзвичайно великий відсоток особин з генетичними порушеннями (мутаціями). До цих порушень не призводило додавання білків, вуглеводів, ліпідів, вітамінів та будь-яких інших біологічних молекул. Тому був зроблений висновок: саме ДНК має безпосередній стосунок до зберігання й передачі 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 кількість аденіну в молекулі ДНК дорівнює кількості тиміну (А = Т), а кількість гуаніну — цитозину (Г = Ц). Відповідно сумарна кількість аденіну та гуаніну буде дорівнювати сумарній кількості тиміну та цитозину (А + Г = Т + Ц). Згодом ці закономірності стали називати правилами Чаргаффа.

Спроба встановити константу в співвідношенні (А + Т) / (Г + Ц) не була успішною. Виявилось, що відношення числа пар нуклеотидів А + Т до числа пар Г + Ц змінюється залежно від 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.

Ервін Чаргафф (1905-2002)

Френсіс Крік (1916-2004)

Джеймс Ватсон (нар. 1928)

Однак честь відкриття структури ДНК належить двом іншим англійським ученим — Джеймсу Ватсону та Френсісу Кріку. Вони змогли першими створити достовірну 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. Зараз основні положення моделі Ватсона та Кріка про молекулярну організацію ДНК підтвердились. Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів; кожний ланцюг закручений як правий гвинт навколо однієї й тієї самої осі, 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 відновлювати дволанцюгову 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 комплементарністю (від лат. комплементум — доповнення). Отже, якщо на якійсь ділянці ланцюга послідовно розташовані нуклеотиди А, Т, Г, Ц, то на протилежній ділянці за принципом комплементарності розмістяться Т, А, Ц, Г.

Іл. 8.1. Структурна формула (а) та просторова модель (б) фрагменту молекули ДНК

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 становить близько 8 см. Звідси природно виникає питання: у який же спосіб така довга молекула укладається в клітинне ядро? Виявляється, що в ядрі клітини ДНК перебувають у суперспіралізованому 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), яка укладається 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 тривимірну геометричну форму та розпадається на одинарні ланцюги. Цей процес відбувається за температури +70 °С — значно вищій від температури денатурації білків, а тому має назву плавлення. Після зниження температури початкова структура ДНК, на відміну від білків, повністю відновлюється.

Іл. 8.2. Молекулярна модель хроматину

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 чому суть правила еквівалентності числа азотистих основ у молекулі ДНК? 3. Що таке комплементарність? 4. Назвіть головні положення концепції подвійної спіралі. 5. Чому денатурацію ДНК називають плавленням?

· Між якими нуклеотидами різних ланцюгів зв’язки міцніші: гуаніловим і цитидиловим чи аденіловим і тимідиловим?

· Чому ДНК має дволанцюгову структуру?

Лабораторне дослідження № 1

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 кип’ятіння), 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 можуть відбуватися за звичайних умов. В основі роботи фермента 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: 2Н2О2 2О + О2.

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 під мікроскопом. 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.

Практична робота № 1

Тема. Розв’язання елементарних вправ зі структури білків та нуклеїнових кислот.

Теоретична частина. Молекули ДНК мають форму спіралі й складаються з двох полінуклеотидів. 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 пар нуклеотидів, 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 полінуклеотидних ланцюгів у молекулі.

Молекули білка — це лінійні поліпептиди, мономером яких є амінокислотний залишок. Його довжина в молекулі білка становить 0,35 нм, а маса — 110 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) та основні (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 першому вона має такий вигляд: А Г Т А Ц Ц Г А Т А Ц Т Ц Г А.

А А Г Т А Ц Ц Г А Т А Ц Т Ц Г А

Б А Г Ц Т Ц А Т А Г Ц Ц А Т Г

В Т Ц А Т Г Г Ц Т А Т Г А Г Ц Т

Г Т Ц А Т А А Ц Т А Т Г А Г Ц Т

2. Укажіть частку гуанілового нулеотиду в молекулі ДНК, якщо частка аденілового становить 25 %.

А 5%

Б 25%

В 50%

Г 75%

3. Укажіть довжину полінуклеотидного ланцюга в нм, якщо він складається з 345 нуклеотидів.

А 103,5

Б 116,96

В 117,3

Г 117,64

4. Укажіть кількість амінокислот, які входять до молекули білка, що важить 36 630 дальтонів.

А 113

Б 233

В 333

Г 363

5. Укажіть полінуклеотид, який є частиною РНК.

А А А А А А А А Ц Ц Ц Ц Ц Ц

Б Т Т Т Т Т Т Т Т Т Г Г Г Г Г Г Г

В Г Г Г Г Г Г Г Г Ц Ц Ц Ц Ц Ц

Г У У У У У У У А А А А А А

Тестові завдання до теми 1

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 спостереження

Б експериментальний метод

В метод історичного аналізу

Г метод 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 полярність

Б великі розміри

В дрібні розміри

Г хімічна інертність

6. Функція яку, виконує йон Мg2+ 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 планарія

В губка

Г аскарида

8. Укажіть коректне визначення ліпідів

гідрофобні сполуки

сполуки, що є і спиртами, і альдегідами сполуки на основі пептидних зв’язків 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 енергетична

Б синтетична

В резервна

Г генетична

11. Мономер целюлози

А фруктоза

Б мальтоза

В глюкоза

Г галактоза

12. Особливість амінокислоти як хімічної сполуки

А полярність

Б гідрофобність

В інертність

Г амфотерність

13. Увідповідніть типи органічних сполук та їх функції в організмі людини

1

ДНК

А

регулює етапи синтезу білка

2

фермент

Б

біологічний каталізатор

3

РНК

В

є основою для синтезу статевих гормонів

4

глікоген

Г

запасальна речовина

Д

зберігай генетичної інформації

14. Складіть характеристику для молекули гемоглобіну, вибравши правильні відповіді

Тип макромолекули

Функція

Функціональна структура

1

білок

1

захисна

1

вторинна

2

нуклеїнова кислота

2

сигнальна

2

первинна

3

полісахарид

3

транспортна

3

четвертинна





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити