Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
«Воронежский техникум строительных технологий»
ТВОРЧЕСКАЯ РАБОТА
по дисциплине Биология
«СОСТАВ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ»
Выполнила:
студентка группы З15.1
Руководитель:
преподаватель биологии
Воронеж
2016 г.
Содержание
- Введение ………………………………………………………………………….... 3 Цель творческой работы ………………………..……………………………...….. 4 Строение и функции ДНК ……………………………………………................... 5- 7 Строение и функции РНК ……………………………………………................... 8-10 Понятие о комплементарности …………………………………………………... 11 Отличия ДНК и РНК ……………………………………………………………...12-13 Практическая часть (моделирование молекулы ДНК из подручного материала) ………………………………………………………………….. …………………..14-15 Вывод ……………………………………………………………………………… 16 Список используемых источников ……………………………………….. …….. 17
- Введение
Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения(полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организмах. Молекулярная масса нуклеиновых кислот может меняться от 100 тыс. до 60 млрд. Они были открыты и выделены из клеточных ядер еще в XIX веке, однако их биологическая роль была выяснена только во второй половине XX века.
Встречаются два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), различающиеся между собой по нуклеотидному составу. Углеводным компонентом РНК является рибоза, а ДНК — дезоксирибоза. В составе РНК встречаются четыре основных азотистых основания — аденин, гуанин, цитозин и урацил. Нуклеотиды, образующие ДНК, также содержат четыре основных азотистых основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин.
Нуклеимновая кисломта (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
Полимерные формы нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Цепочки из нуклеотидов соединяются через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая(РНК).
Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор энергии в клетке.
- Цель творческой домашней работы: изучить структуру и функции молекул нуклеиновых кислот ДНК и РНК, сравнить состав, строение, функции нуклеиновых кислот, используя подручный материал, выполнить объемную или плоскостную модель молекулы нуклеиновой кислоты.
- Строение и функции ДНК
Дезоксирибонуклеимновая кислотам (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно - или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессетрансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.
Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине 1962 г. Розалинд Франклин, которая получила рентгенограммы, без которых Уотсон и Крик не имели бы возможность сделать выводы о структуре ДНК, умерла в 1958 г. от рака (Нобелевскую премию не дают посмертно).
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер (полианион), мономером которого является нуклеотид.
Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, присоединённого по 5'-положению к сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C—N) по 1'-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза). Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат, у которого основанием, присоединённым к фосфату и рибозе, является аденин (показан на рисунке).
Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G]) образованы соединёнными пяти - и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом.
В виде исключения, например, у бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований — урацил ([U]), пиримидиновое основание, отличающееся от тимина отсутствием метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК.
Следует отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул РНК значительное число урацилов в этих молекулах метилируется с помощью специальных ферментов, превращаясь в тимин. Это происходит в транспортных и рибосомальных РНК.
- Строение и функции РНК
Рибонуклеимновая кислотам (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например,транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.
Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так, малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.
Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы), у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.
Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.
Матричная (информационная) РНК — РНК, которая служит посредником при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам, молекулярным машинам, синтезирующим белки живого организма. Кодирующая последовательность мРНК определяет последовательность аминокислот полипептидной цепи белка. Однако подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибироваться с отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными интронов.. Классические, хорошо изученные типы некодирующих РНК — это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, которые участвуют в процессе трансляции. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и лигирование молекул РНК. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции — энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимами.
Нуклеотиды РНК состоят из сахара — рибозы, к которой в положении 1' присоединено одно из оснований: аденин, гуанин,цитозин или урацил. Фосфатная группа соединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3' атомом углерода одной рибозы и в 5' положении другой. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК — полианион. РНК транскрибируется как полимер четырёх оснований (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C), но в «зрелой» РНК есть много модифицированных оснований и сахаров. Всего в РНК насчитывается около 100 разных видов модифицированных нуклеотидов, из которых 2'-О-метилрибоза наиболее частая модификация сахара, а псевдоуридин — наиболее часто встречающееся модифицированное основание.
У псевдоуридина (Ш) связь между урацилом и рибозой не C — N, а C — C, этот нуклеотид встречается в разных положениях в молекулах РНК. В частности, псевдоуридин важен для функционирования тРНК. Другое заслуживающее внимания модифицированное основание — гипоксантин, деаминированный гуанин, нуклеозид которого носит название инозина. Инозин играет важную роль в обеспечении вырожденности генетического кода.
Роль многих других модификаций не до конца изучена, но в рибосомальной РНК многие пост-транскрипционныемодификации находятся в важных для функционирования рибосомы участках. Например, на одном из рибонуклеотидов, участвующем в образовании пептидной связи.
- Понятие о комплементарности
Комплементамрность (в химии, молекулярной биологии и генетике) — взаимное соответствие молекул биополимеровили их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими (комплементарными) фрагментами молекул или их структурных фрагментов вследствие супрамолекулярных взаимодействий (образование водородных связей, гидрофобных взаимодействий, электростатических взаимодействий заряженных функциональных групп и т. п.).
В случае нуклеиновых кислот — как олиго - так и полинуклеотидов, азотистые основания нуклеотидов способны вследствие образования водородных связейформировать парные комплексы аденин—тимин (или урацил в РНК) и гуанин—цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. Такое взаимодействие играет ключевую роль в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генетической информации: репликации ДНК, обеспечивающей передачу генетической информации при делении клетки, транскрипции ДНК в РНК при синтезе белков, кодируемых ДНК гена, хранении генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах репарации ДНК при её повреждении.
Принцип комплементарности используется в синтезе ДНК. Это строгое соответствие соединения азотистых оснований, соединёнными водородными связями, в котором: А-Т (Аденин соединяется с Тимином) Г-Ц (Гуанин соединяется с Цитозином)
- Отличия ДНК и РНК
Признаки | ДНК | РНК |
Структура молекулы | | и-РНК т-РНК р-РНК |
Азотистые основания | аденин [A], гуанин [G], цитозин [C] , тимин [T] | аденин (A),цитозин(C) гуанина(G), урацил (U) |
Строение нуклеотида | Двойной неразветвленный линейный полимер, свернутый правозакрученной спиралью | Одинарная полинуклеотидная цепочка |
Функции | Химическая основа хромосомного генетического материала (гена); синтез ДНК, синтез РНК, информация о структуре белков. | Информационная (и-РНК) – передает код наследственной информации о первичной структуре белковой молекулы; рибосомальная (р-РНК) – входит в состав рибосом; транспортная (т-РНК) – переносит аминокислоты к рибосомам; митохондриальная РНК (м-РНК) – входят в состав рибосом этих органелл |
Размещение в клетке | Ядро, митохондрии, хлоропласты, хромосомы | Ядро, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты, ядрышко |
- Практическая часть
(моделирование молекулы ДНК из подручного материала)
Создание модели ДНК - отличный способ больше узнать о том, какое строение имеет данная молекула и каким образом она образует наши гены.
Используя обычный подручный материал, я решила сконструировать выбранную мной молекулу нуклеиновой кислоты и остановилась на строении дезоксирибонуклеиновой кислоты. Для этого я приготовила смесь из муки и хлеба, взяла краску, кисть, металлическую проволоку, деревянный брусок, пассатижи и шуруповерт. Просверлив шуруповертом в деревянном бруске два отверстия, укрепила там металлическую проволоку и изогнула ее в двух взаимнопротивоположных направлениях. Таким образом, получились 2 антипараллельные цепи ДНК. Азотистые основания (аденин, тимин, гуанин, цитозин) решила изготовить из смеси муки и хлеба. Я скатала шарики из полученной смеси, продела сквозь них зубочистки и поставила на медленный огонь в духовку. Зубочистки в данном случае служили для того, чтобы остались отверстия для надевания их на цепи ДНК. Когда шарики высохли, я вытащила из них зубочистки, и сами шарики раскрасила разными цветами: синим, красным, желтым и зеленым. Антипараллельные цепи я сделала разных цветов: одна – синим, другая – красным. Затем, в соответствии с типом комплементарности, на поперечные проволоки надела шарики (они служат азотистыми основаниями) соответствующих цветов: синий – красный (красный - синий), желтый – зеленый (зеленый - синий) и укрепила их как перемычки на антипараллельных цепях ДНК. В результате у меня получились азотистые основания, комплементарные друг другу: аденин комплементарен тимину (тимин – аденину), гуанин комплементарен цитозину (цитозин - тимину). Для того, чтобы шарики не соскакивали, пассатижами загнула края цепей ДНК.
В итоге получилась модель, напоминающая настоящую молекулу!
- Вывод
Выполнив творческую домашнюю работу, я изучила структуру и функции молекул нуклеиновых кислот ДНК и РНК, сравнила их состав, строение, функции нуклеиновых кислот, используя подручный материал, выполнила объемную модель молекулы ДНК.
Я считаю, что создание модели ДНК - отличный способ больше узнать о том, каким образом эта молекула образует наши гены, это помогает достаточно хорошо разобраться в теоретическом материале, а также сконструировать все детали ее строения на практике.
- Список используемых источников:
1. Сивоглазов . Общая биология. Базовый уровень: учеб. для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений / , , ; под ред. акад. РАЕН, проф. . – 9-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2013 . – 381, [3] с.: ил.
2. Андреева . 10-11 классы: учеб. для образоват. учреждений (базовый уровень) / . – 6-е изд., испр. – М.: Мнемозина, 2013. – 327 с.: ил.
3. Мамонтов биология: Учеб. для студентов средних спец. учеб. заведений/, .-6-е изд., стер. – М.: Высш. шк.;2004. – 317 с.: ил.
4. Сайт «Я иду на урок биологии» создан на основе материалов журнала «Биология» Издательского дома «Первое сентября» [Электронный ресурс]: «Первое сентября», 2002 – Режим доступа: http://bio.1september. ru/article. php? ID=200701302 – Загл. с экрана
