--> Нуклеиновые кислоты.Интерактивные задания

Содержание

Главная >> Химия. Углубленный уровень

Химия 10 класс. Габриелян

§ 28. Нуклеиновые кислоты

Название этих веществ происходит от латинского слова nucleus — «ядро» и указывает, что нуклеиновые кислоты являются составной частью клеточных ядер.

Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные соединения с молекулярными массами от ста тысяч до десятков миллиардов. Они были открыты в 1869 г. швейцарским химиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах.

Строение нуклеиновых кислот

Различают два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (сокращённо ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, а РНК — рибозу.

Структура молекулы ДНК

В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в жизнедеятельности организма. Нуклеиновые кислоты — исключительно важные элементы клетки, обеспечивающие хранение и передачу генетической (наследственной) информации в живых организмах. ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы.

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, спирально закрученных одна относительно другой (рис. 78).

Структурными компонентами (мономерами) каждой такой цепочки служат нуклеотиды, количество которых в молекулах нуклеиновых кислот бывает разным — от 80 в молекулах РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК. В состав любого нуклеотида входит одно из азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин и тимин (урацил в РНК), углевод пентоза (у ДНК — дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄, у РНК — рибоза С₅Н₁₀О₅) и остаток фосфорной кислоты. Азотистые основания цитозин и тимин (урацил) называются пиримидиновыми, а аденин и гуанин — пуриновыми. Поэтому вполне логично предположить, что при полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются смесь пиримидиновых и пуриновых оснований, моносахарид — пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

Строение каждой составляющей нуклеотида можно отразить с помощью формул.

Пиримидиновые основания:

Пиримидиновые основания

Пиримидиновые основания способны к таутомерии, которая показана выше на примере цитозина.

Пуриновые основания:

Пуриновые основания

Пентозы:

Пентозы

Нуклеиновые кислоты, как и простые белки, имеют первичную, вторичную и третичную структуру

Нуклеиновые кислоты, как и простые белки, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Чередование мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи образует первичную структуру нуклеиновой кислоты точно так, как из аминокислот образуется белок. Ниже показан фрагмент ДНК как пример первичной структуры нуклеиновой кислоты.

Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух переплетённых полинуклеотидных цепей. Одна цепь изогнута в виде спирали и удерживает около себя вторую полинуклеотидную цепь. Образовавшаяся двойная спираль закручена вокруг общей оси, и азотистые основания обеих цепей обращены внутрь спирали. Благодаря такому взаимодействию оснований обеспечивается достаточная прочность двойной спирали ДНК. Здесь адениновые остатки одной цепи за счёт водородных связей связаны с тиминовыми остатками второй цепи, а гуаниновые — с цитозиновыми (рис. 79).

Па́ры азотистых оснований, между которыми формируются водородные связи (А...Т; Г...Ц), называются комплементарными, т. е. взаимодополняющими друг друга.

Вторичная структура ДНК (а) и комплементарность между двумя цепями ДНК (б)

Третичная структура нуклеиновых кислот — это пространственное расположение ДНК и РНК (в виде компактной палочки, клубка и т. д.).

ДНК и РНК локализуются в различных частях клетки, с этим и связаны их функциональные особенности.

Биологическое значение нуклеиновых кислот

ДНК — основной строительный материал генов, в которых хранится наследственная информация организма. РНК выполняет различные функции, так как существует в виде трёх разновидностей: рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК) и информационная (иРНК). Последняя копирует наследственную информацию с участка молекулы ДНК-гена и переносит её к месту сборки белковой молекулы, тРНК присоединяет аминокислоты, рРНК входит в состав рибосом.

Биологическая роль нуклеиновых кислот начала выясняться ещё в 40-х — начале 50-х гг. XX в., когда впервые было установлено, что ДНК, взятая у одной разновидности бактерий и введённая в другую разновидность, заставляет последнюю производить потомство с признаками, имеющимися у первой разновидности. Отсюда вытекало, что вместе с ДНК была перенесена наследственная информация — приказ строить белковые молекулы определённого типа. Эти работы стали исходной точкой быстрого прогресса в области молекулярной генетики.

В общих чертах роль ДНК и РНК выглядит следующим образом. Молекулы ДНК, находящиеся в клеточных ядрах, хранят наследственную информацию, «записанную» в виде различной последовательности нуклеотидов. ДНК играет роль «матрицы», с которой «отпечатываются копии» молекул РНК, непосредственно участвующих в синтезе белка.

Роль РНК в процессе синтеза белка была подтверждена опытами, выполненными в начале 60-х гг. XX в. Из клеток бактерий получили бесклеточную жидкость, содержащую все необходимые для синтеза белка ферменты, ранее находившиеся в клетке. Эта система была способна в течение некоторого времени осуществлять синтез белка, однако затем он замедлялся. В этот момент добавляли РНК и наблюдали возобновление синтеза белка. Можно было добавить и не природную, а синтетическую РНК: синтез белка продолжался и в этом случае. Когда добавка состояла из синтетической РНК, содержащей только один нуклеотид — урацил, образовывался полипептид, состоящий только из фенилаланина. Дальнейшее развитие подобных опытов позволило расшифровать «генетический код»: установить, что каждая аминокислота имеет свои «шифры», записанные в виде последовательности трёх нуклеотидов.

Биотехнология и генная инженерия

Биотехнология — это интеграция естественных и технических наук

В современной биотехнологии выделяют три раздела, три относительно самостоятельных направления:

генная (или генетическая) инженерия;

клеточная инженерия;

биологическая инженерия.

Генная инженерия — это раздел биотехнологии,

Напомним, что в ядрах клеток живых организмов содержатся хромосомы. Основу любой хромосомы составляет макромолекула (ДНК) очень большой длины. Помимо ДНК в состав хромосомы входят молекулы белков. Гены — это участки ДНК хромосомы (несколько последовательно соединённых нуклеотидов), несущие информацию о строении одной молекулы белка или молекулы РНК, характерных для данного живого организма. Совокупность всех генов организма, содержащихся в хромосомах, называется геномом.

Вы знаете, что под влиянием факторов внешней среды у всех видов живых организмов происходят мутации.

Можно ли провести мутацию искусственным путём, т. е. внедрить в ДНК новый, несвойственный данному организму ген? Ведь таким образом можно «привить» живому организму полезное качество, которого у него не было. В 1973 г. американские учёные С. Коэн и Э. Чанг встроили в ДНК бактерии участок ДНК лягушки. Свершилось небывалое: бактерия стала вырабатывать белок, характерный для лягушки, и даже передавать «лягушечью ДНК» потомкам! Так была показана принципиальная возможность встраивать чужие гены в геном определённого организма.

Растения и животные, в геном которых введены синтезированные гены или гены других организмов, называются генетически модифицированными организмами (ГМО), а продукты их переработки — трансгенными продуктами.

Последние десятилетия генная инженерия поистине творит чудеса. Японским учёным удалось ввести в ДНК свиней ген шпината, в результате чего их мясо стало менее жирным. Генетически модифицированные растения произрастают уже на миллионах гектаров сельскохозяйственных угодий. Они отличаются от своих «собратьев» большей урожайностью, устойчивостью к вредителям, болезням и засухе, большим содержанием полезных питательных веществ.

Трансгенная кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки; модифицированная соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, варёных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания.

Создание генетически модифицированных растений, устойчивых к сорнякам и вредителям, в несколько раз уменьшает расход гербицидов и ослабляет тем самым химическую нагрузку на окружающую среду.

Кубические арбузы — чудеса генной инженерии

В сельскохозяйственную практику входят трансгенные сорта с повышенными потребительскими свойствами, например гороха, сои, злаков с улучшенным составом белков. Созданы трансгенные помидоры без зёрнышек, на подходе бескосточковые черешня, цитрусовые. Выведен даже сорт кубических арбузов, которые экономически выгодно транспортировать и складировать за счёт более плотной укладки (рис. 80)!

В фармакологии методы генной инженерии дали возможность получить высокоэффективные вакцины против герпеса, туберкулёза, холеры; в нефтехимической промышленности — новые формы дрожжей и бактерий, способных уничтожать разливы нефти.

Клеточная инженерия

Суть метода клеточной инженерии схематически можно изобразить так.

От живого организма, например растения, берётся небольшой кусочек ткани, скажем, листовой пластинки. Напомним, что каждая клетка хранит в себе полный набор генов (геном) этого растения, но функции клеток дифференцированы, т. е. клетки листа отличаются от клеток стебля, корня или цветка. Следовательно, первый этап клеточной инженерии — дедифференциация — превращение ткани в набор клеток безотносительно их роли в растении. Полученная масса клеток делится, размножается, растёт их число, образуется целая клеточная колония, называемая каллусной тканью. Её можно разделить на несколько частей. Третий шаг — превращение каллусной ткани в клетки нужного органа растения: корня, листа или верхушечной почки (дифференциация).

Клонированная овечка Долли — точная копия материнского организма

Достигается это введением в питательную среду особых химических веществ — фитогормонов. Каждый отдельный кусочек каллусной ткани при этом приобретает вид маленького растения, способного к самостоятельному росту и раз- витию. Таким образом, из небольшого кусочка листа можно получить десяток новых растений — точных копий родительского организма.

Вершиной достижений клеточной инженерии можно считать клонирование организмов — создание точной копии живого существа. Выведенные академиком В. А. Струнниковым клоны шелкопряда известны на весь мир.

Наиболее известный феномен клеточной инженерии — клонирование домашних животных. Весь мир облетела весть о рождении овечки Долли — клона своей матери, появившейся на свет благодаря генной инженерии (рис. 81).

Биологическая инженерия

В биотехнологическом производстве клоны клеток используют как своеобразные химические фабрики для промышленного получения биологически активных веществ, например гормона эритропоэтина, стимулирующего образование красных кровяных телец, а также используемого для предотвращения образования тромбов в кровеносных сосудах. Методами клеточной инженерии получены факторы свёртываемости крови для лечения страшного заболевания — гемофилии, инсулин для лечения диабета.

1. Сравните РНК и ДНК:

а) по строению нуклеотидов;
б) по строению полинуклеотидной цепи;
в) по локализации в клетке;
г) по выполняемой функции в процессе биосинтеза белка.

2. Используя принцип комплементарности, запишите буквенное обозначение второй половинки фрагмента двойной спирали ДНК:

3. Сравните три структуры белковых молекул с соответствующими структурами молекул ДНК. Какую роль играют водородные связи в строении этих биополимеров?

4. Почему в молекуле ДНК число пуриновых и пиримидиновых звеньев одинаково?

5. Какие виды РНК вы знаете? Какова их роль в жизнедеятельности клетки?

6. Установите соответствие между типом нуклеиновой кислоты и её функцией в организме.

7. На сайте http://biology.ru изучите § 8.1.6 «Нуклеиновые кислоты». С помощью интерактивной анимации уясните, какие пары оснований называют комплементарными.

8. Выполните учебно-исследовательский проект на тему: «За» и «против» генномодифицированных продуктов питания».

9. Подготовьте сообщение «Генная инженерия на современном этапе: успехи и перспективы», используя ресурсы Интернета.

Содержание

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->

. Важно, чтобы скрипт был после блока. Например, можно разместить перед тегом -->