Конспект урока по биологии на тему "Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки" (10 класс)

Игнатьева Н. А.

Учитель биологии

МОУ «Средняя школа № 37» г. Саранск

Слайд 1   Тема урока: « Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки»

Слайд 2

Задачи урока:

·        Сформировать знания об особой роли нуклеиновых кислот в живой природе, - хранении и передаче наследственной информации.

·        Изучить особенности строения молекул нуклеиновых кислот как биополимеров; локализация этих соединений в клетке.

·        Раскрыть механизм удвоения ДНК, роль этого механизма в передаче наследственной информации.

• Сформировать умение схематично изображать процесс удвоения ДНК.

Оборудование: структурная объемная модель ДНК, таблицы: «Строение молекулы ДНК», «Удвоение  молекулы ДНК».

Ход урока.

I.   Организационный момент.

II.   Опрос домашнего задания.

Проверка знаний о строении и функциях белков в режиме диалогового общения. Один ученик задает вопрос, второй отвечает, успешно ответивший задает вопрос в следующей паре учеников. Вопросы могут формулировать сами учащиеся (или им предлагает на карточках учитель) Примеры вопросов:

1.     Что такое белки?

2.     Какое место они занимают в клетке?

3.     Почему аминокислоты могут проявлять амфотерные свойства?

Слайд 3-4

Структурная организация белка

Структура	Конфигурация	Химические связи	Характеристика структуры
1. Первичная	Цепь аминокислот	?	Основа белковой молекулы
2. Вторичная	?	Водородные, Пептидные	?
3. Третичная	?	?	Возникновение индивидуальной особенности у белка
4. Четвертичная	Агрегаты молекул	Те же, что у третичной	?

Заполните отдельные ячейки таблицы.

Ответьте на вопросы:

1.     Какие связи существуют в белковой молекуле?

2.     Благодаря каким связям белковая цепочка образует повороты?

3.     Какие связи лежат в основе третичной структуры белка?

4.     Какая структура обеспечивает разнообразие функций белка?

Вопросы:

1.     Какая функция белков обеспечивает тонус кровеносных сосудов,

движение пищи по пищеводу?

2. Благодаря какой функции белки осуществляют процесс избирательного узнавания отдельных веществ и их присоединения  к молекулам?

3. Ионы тяжелых металлов (ртути, мышьяка, свинца) легко связываются с сульфидными группировками белков. Зная свойства сульфидов этих металлов, объясните, что произойдет с белком при соединении с этими металлами. Почему тяжелые металлы являются ядами для организма.

Выполнить тесты. Приложение 1.

III.     Изучение нового материала.

И так, изучив строение и функции белков, мы знаем, что белки являются основой жизни. Сложные белки образуют соединения с другими веществами, в жизни клетки очень важная роль принадлежит нуклеопротеидам, т. е. таким соединениям, в состав которых входят белки и нуклеиновые кислоты.

Слайд 5

         Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.

Впервые они были описаны в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером (1844 -1895).  Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Ученый назвал это вещество нуклеином (от латинского «нуклеус» — ядро), полагая, что оно содержится лишь в клетки. Позднее небелковая часть этого вещества была названа нуклеиновой кислотой. Хотя теперь выяснено, что нуклеиновые кислоты есть и в цитоплазме, и в целом ряде органоидов — митохондриях, пластидах.

Нуклеиновые кислоты и их типы.

Нуклеиновые кислоты — самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их молеку­лярная масса может быть от 10 000 до нескольких миллионов угле­родных единиц.

Слайд 6

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, состоящими из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из фосфат­ной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основа­ния.

Остаток фосфорной кислоты, связанный с пятым атомом С в пентозе, может соединяться ковалентной связью с гидроксильной груп­пой возле третьего атома С другого нуклеотида. Обратите внимание: концы цепочки нуклеотидов, связанных в нуклеиновую кислоту, разные. На одном конце расположен связанный с пятым атомом пен­тозы фосфат, и этот конец называется 5'-концом (читается «пять-штрих»). На другом конце остается не связанная с фосфатом ОН-группа около третьего атома пентозы (З'-конец). Благодаря реак­ции полимеризации нуклеотидов образуются нуклеиновые кислоты.

В зависимости от вида пентозы различают два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (сокращенно ДНК) и рибо­нуклеиновые (РНК). Название кислот обусловлено тем, что молеку­ла ДНК содержит дезоксирибозу, а молекула РНК — рибозу.

Строение ДНК.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей, которые по своей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.

         Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат дезоксирибозу, остаток фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований:

 аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют названия соответствующих нуклеотидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т)

Слайд 7

Нуклеотидный состав ДНК впервые (1905г.) количественно проанализировал американский биохимик Эдвин Чаргафф. К 1951г. стало ясно, что четыре основания присутствуют в ДНК. Кроме того, Э. Чаргафф обнаружил, что у всех изученных им видов количество пуриновых оснований аденина равно количеству пиримидинового основания тимина, т. е. А =Т. Сходным образом количество второго пурина – гуанина всегда равно второго пиримидина – цитозина, т. е. Г = Ц.

Слайд 8

Таким образом, число пуриновых оснований в ДНК всегда равно числу пиримидиновых, количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – количеству цитозина. Такая закономерность получила название правил Чаргаффа.

Слайд 9

В 1950 г. английский физик М. Уилкинс получил рентгенограмму кристаллических волокон ДНК. Она показала, что молекула ДНК имеет определенную структуру, расшифровка которой помогла бы понять механизм функционирования ДНК.

Рентгенограммы, полученные не на кристаллических волокнах ДНК, а на менее упорядоченных агрегатах, которые образуются при более высокой влажности, позволили Розалинд Франклин увидеть четкий крестообразный рисунок – опознавательный знак двойной спирали. Стало известно также, что нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм., а на один виток спирали их приходится 10. Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Но из этих данных было не ясно, каким образом цепи удерживаются вместе в молекулах ДНК.

Слайд 10 – 11

Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик, исследуя структуру молекулы ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфотный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания – в середине. Причем последние ориентированы таким образом, что между основаниями из противоположных цепей могут образоваться водородные связи. Из построенной ими модели выяснилось, что какой – либо пурин в одной цепи всегда связан водородными связями с одним из пиримидинов в другой цепи. Такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Не менее важно то, что аденин может спариваться с тимином, а гуанин только с цитозином. При этом между аденином  и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три.

Каждая из пар оснований обладает симметрией, позволяющей ей включаться в двойную спираль в двух ориентациях. Если известна последовательность оснований в одной цепи, то благодаря специфичности спаривания (принцип комплементарности) становится известной и последовательность оснований ее партнера

Слайд 12  

Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, который может состоять из нескольких десятков тысяч и даже миллионов нуклеотидов. Нуклеотиды, образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от образовавшегося остова одной цепи ДНК, формируют водородные связи с азотистыми основаниями второй цепи. Таким образом, в спиральной молекуле двухцепочечной ДНК азотистые основания находятся внутри спирали.  Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), то есть против 3'-конца одной цепи находится 5'-коиец другой. На периферию молекулы обращен сахарофосфатный остов, образованный чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Внутрь молекулы обращены азотистые основания Структура спирали такова, что входящие в ее состав полинуклеотидные цепи могут быть разделены только после раскручивания спирали                                                                       |

В двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований, другой. Таким образом, пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительными (пространственное взаимное соответствие), или комплементарными .

Следовательно, у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых, а зная последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК по принципу комплементарности, можно установить нуклеотиды другой цепи.

Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, так как представляет собой кодовую форму записи биологической информации (генетический код). Другими словами, с помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по наследству последующим поколениям.

Самоудвоение молекулы ДНК.

 Одним из уникальных свойств молекулы ДНК является ее способность к самоудвоению — 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 полуконсерватцвным 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 цели (5'—3') в обратную сторону (тоже в направлении 3'→5'), синтезируя вторую дочернюю цепь фрагментами (их называют фрагменты Оказаки), которые после завершения репликции сшиваются в единую цепь. Эта цепь называется отстающей. На цепи 3'—   5'репликация идет непрерывно, 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 полинуклеотидную цепь два концевых остатка отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование сложноэфирной связи между нуклеотидами.

Слайд 13

Функции ДНК.

1.     Хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей.

2.     Передача наследственной информации из поколения в поколение. Она осуществляется благодаря репликации материнской молекулы и последующего распределения дочерних молекул между клетками-потомками.

Слайд 14

Характеристика РНК. Молекулы РНК являются полимерами, мономерами которых являются рибонуклеотиды, образованные остатками трех веществ: пятиуглеродного сахара – рибозы; одним из азотистых оснований – из пуриновых – аденином или гуанином, из пиримидиновых –  урацилом или цитозином; остатком фосфорной кислоты.

Молекула РНК представляет собой неразветвленный полинуклеотид, имеющий третичную структуру. В отли­чие от ДНК, она образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой. Однако ее нуклеотиды также способны образовывать водородные связи между собой, но это внут­ри, а не межцепочечные соединения комплементарных нук­леотидов. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Информация о структуре молекулы РНК заложена в молекулах ДНК. Последовательность нуклеотидов в РНК комплементарна кодирующей цепи ДНК и идентична, за исключением замены тимина на урацил, некодирующей цепи. Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количе­ство РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.

Слайд 15-17

Существует три основных типа РНК: информационная (матричная) РНК – иРНК (мРНК), транспортная РНК – тРНК, рибосомальная РНК – рРНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциямэ

Типы РНК
Транспортная РНК  (т-РНК)	Информационная РНК (и-РНК)	Рибосомные РНК (р-РНК)
Состоят всего из 80-100 нуклеотидов.	Состоит из 300 – 30000 нуклеотидов.	Состоят всего из 3-5 тыс. нуклеотидов.
Молекулярная масса – 25-30 тыс.	Молекулярная масса 25-1млн.	Молекулярная масса – 1,0 – 1,5 тыс.
Содержится в основном в цитоплазме клетки.	Содержится в ядре и цитоплазме.	Входят в состав рибосом.
Из общего содержания РНК клетки составляет около 10%.	Из общего содержания РНК клетки составляет около 5%.	Из общего содержания РНК клетки составляет около 85%.
Функция – перенос аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка	Функция – перенос информации о структуре белка от ДНК  к месту синтеза белка в рибосомах	Функция – участвуют в формировании активного центра рибосомы.

Слайд 18

Выводы:

1.     Нуклеиновые кислоты преимущественно локализованы в клеточном ядре.

2.     ДНК – нерегулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей.

3.     Наследственная информация заключена в последовательности нуклеотидов ДНК.

4.     Репликация ДНК обеспечивает передачу наследственной информации из поколения в поколение.

5.     Различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.

Проверь себя

Ответить на вопросы 1 -5 на стр.52

Слайд 19-21

1.     На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: А – А – Г –  Ц  -  Т – А – Ц – Г – Т – А – Г…

1). Нарисуйте схему структуры двуцепочечной молекулы ДНК.

2) Объясните, каким свойством ДНК при этом вы руководствовались. 3) Какова длина этого фрагмента ДНК?

2.     В одной молекуле ДНК тимидиловый нуклеотид составляет 16% от общего количества нуклеотидов. Определите количество (в %) каждого из остальных видов нуклеотидов.

3.     Сколько содержится тимидиловых, адениловых и цитидиловых нуклеотидов (в отдельности) в фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 22% от их общего количества нуклеотидов  в этом фрагменте молекулы ДНК?

 Какова длина этого фрагмента ДНК?

Слайд 22

Домашнее задание:

Изучить § 12,

Задание на стр. 53;

Приготовить сообщения или рефераты (по желанию) на темы: «Нуклеиновые кислоты – хранители наследственных свойств», «Молекулы ДНК – это  телеграммы, посланные в будущее»

Приложение 1

Тема: «Строение белков»

Тест 1. Какие органические вещества в клетке на первом месте по массе?

1.   Углеводы.                             3. Липиды.

2.   Белки.                                  4. Нуклеиновые кислоты.

 Тест 2. Какие элементы входят в состав простых белков?

1.   Углерод.         3. Кислород.             5. Фосфор.     7. Железо.

2.   Водород.        4. Сера.                     6. Азот.          8. Хлор.

 Тест 3. Сколько аминокислот образует все многообразие белков?

1.    170.                 2. 26.               3. 20.               4. 10.

Тест 4. Сколько аминокислот являются незаменимыми для человека?

1. Таких кислот нет. 2. 20.     3. 10.          4. 7.

Тест 5. Какие белки называются неполноценными?

1.   В которых отсутствуют некоторые аминокислоты.

2.   В которых отсутствуют некоторые незаменимые аминокислоты.

3.   В которых отсутствуют некоторые заменимые аминокислоты. 

 4.   Все известные белки являются полноценными.

Тест 6. Какая функциональная группировка придаст 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?

I   Ковалентные.             3. Ионные.

2.   Водородные.             4. Такие связи отсутствуют.

Тест 10. Какую структуру имеет молекула гемоглобина? 

 1.  Первичную.                           3. Третичную.

2.   Вторичную.                           4. Четвертичную