«Изготовление модели молекулы ДНК»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 5 имени Г. Е. Попова

г. Николаевска-на-Амуре Хабаровского края

ПРОЕКТ

«Изготовление модели молекулы ДНК»

                                г. Николаевск-на-Амуре

                                                  2023

                                           Содержание

Введение

Дезоксирибонуклеиновая кислота является одной из важнейших молекул для живых организмов. Она определяет наследование и кодирование белков, содержит инструкции для размножения и развития организмов.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение.

ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни человека.

Для многих людей, а тем более школьников ДНК остается чем-то загадочным. Поэтому данный проект направлен на всестороннее изучение ДНК и методов ее выделения в доступной для школьников форме.

Целью моей проектной работы является изготовление модели молекулы ДНК.

Для достижения цели перед нами стоять следующие задачи:

1. Изучить теоретические материалы по строению и свойствам молекулы ДНК;
2. Подобрать необходимые материалы для создания модели молекулы ДНК;
3. Создать модель молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Методы исследования:

• Эмпирический – сбор информации по теме проекта и ее анализ;
• Моделирование – подготовка материала и изготовление молекулы ДНК;
• Математический – расчет стоимости модели.

Практическая значимость проектной работы заключается в использовании данной модели на уроках химии и биологии.

Глава 1 Теоретическое обоснование темы проекта

1. История исследований ДНК

Вклад в изучение ДНК внесло множество известных ученых.

Как химическое вещество ДНК была выделена Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году из остатков клеток, содержащихся в гное. Он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота.

В 1881 году немецкий биохимик, лауреат Нобелевской премии Альбрехт Коссель идентифицировал нуклеин как нуклеиновую кислоту. Ему также принадлежит выделение азотистых оснований, лежащих в основе ДНК: аденина, цитозина, гуанина и тимина.

Вскоре после открытия Косселя, в 1882 году Вальтер Флемминг открыл митоз и выполнил полностью систематическое исследование деления хромосом.

До 1930-х годов считалось, что ДНК содержится только в животных клетках, а в растительных – РНК. В 1934 году в журнале «Hoppe-Seyler’s Zeitschrift fur physiologishe Chemie», затем в 1935 году в «Ученых записках МГУ» вышла статья советских биохимиков А. Н. Белозерского и А. Р. Кизеля в которых доказывалось присутствие ДНК в растительных клетках.

В 1944 году Освальд Эвери обосновал, что именно ДНК, а не белки, трансформируют свойства клеток.

Эрвином Чаргаффом с 1944 по 1950 года было исследовано то, что ДНК отвечает за наследственность. Его открытия, известные как «Правила Чаргаффа», доказали, что единица азотистых оснований одинаковы в двухцепочной молекуле ДНК, им также было обнаружено, что ЖНК различается у разых видов.

В конце 1940-х годов Барбара Мак-Клинток обнаружила мобильность генов.

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

В 1951 Розалиндой Франклин была доказана спиральная форма ДНК, что было подтверждено Уотсоном и Криком два года спустя.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 г. на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и правил Чаргаффа. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. 25 апреля во всем мире отмечается как день ДНК.

После продолжительных исследований человечество стало учиться выделять ДНК и использовать молекулу в своих целях.

2. Состав и строение ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (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.

ДНК – это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков – нуклеотидов. Выделяют несколько уровней организации молекулы ДНК.

Первичная структура ДНК - линейная полимерная молекула, мономерами которой являются дезоксинуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода (дезоксирибозы) и азотистого основания.

Рисунок 1 – Макромолекула ДНК

Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи).

                Рисунок 2 – Цепь нуклеотидов

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей.

Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух параллельных неразветвленных полинуклеотидных цепей, закрученных в противоположные стороны вокруг общей оси.

Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы – снаружи.

Рисунок 3 – Расположение пуриновых и пиримидиновых оснований

Две спирали удерживаются вместе водородными связями между парами азотистых оснований. Водородные связи образуются между определенными основаниями: тимин (Т) образует водородные связи только с аденином (А), а цитозин (Ц) – только с гуанином (Г). В первой паре азотистых оснований две водородные связи, а во второй – три.

Рисунок 4 – Водородные связи между азотистыми основаниями

Такие пары оснований называются комплементарными парами. А такое пространственное соответствие молекул, способствующее их сближению и образованию водородных связей, называется комплементарностью.

Комплементарность обусловливает спиралевидную модель ДНК.

Две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу. Последовательность нуклеотидов в одной из спиралей определяет последовательность нуклеотидов в другой.

В каждой паре оснований, связанных водородными связями, одно из оснований – пуриновое, а другое пиримидиновое. Общее число остатков пуриновых оснований в молекуле ДНК равно числу остатков пиримидиновых оснований.

Таким образом, ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А), ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).

Рисунок 5 – Комплементарность азотистых оснований

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков.

3. Функции и биологическое значение ДНК

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов – наследственность и изменчивость.

В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, отсюда следует, что образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Последовательность нуклеотидов «кодирует» информацию о различных типах РНК: информационных, или матричных (мРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессе транскрипции.

Роль их в биосинтезе белков (процессе трансляции) различна.

Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рибосомальные РНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеиновых комплексов, основная функция которых – сборка белка из отдельных аминокислот на основе иРНК), транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков – в активный центр рибосомы, «ползущей» по иРНК.

Незаменимыми для взрослого здорового человека являются 8 аминокислот: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин; также часто к незаменимым относят гистидин. Для детей также незаменимым является аргинин.

Белки являются необходимыми компонентами всех живых организмов и играют важную роль в жизнедеятельности клетки. Белки осуществляют процессы обмена веществ. Они входят в состав внутриклеточных структур – органелл и цитоскелета, секретируются во внеклеточное пространство, где могут выступать в качестве сигнала, передаваемого между клетками, участвовать в гидролизе пищи и образовании межклеточного вещества.

Таким образом, ДНК несет ответственность за рост и поддержание жизни, что выражается в выполнении этой молекулой трех жизненно важных функций.

Глава 2. Изготовление модели молекулы ДНК  

1. Подбор материала для изготовления модели

Для создания модели молекулы ДНК был выбрана проволока и воздушный пластилин. Выбранные материалы легко соединяются, держатся крепко. Подобранные цвета хорошо контрастируют друг с другом и привлекают внимание.

 План

1. Выбор материалов;
2. Изготовление основы и двойной спирали;
3. Подбор цветов пластилина: чтобы обозначить нуклеотиды: коричневый – аденин, желтый – тимин, оранжевый  – гуанин,  зеленый – цитозин, синий – дезоксирибоза, красный – остаток фосфорной кислоты.
4. Фиксация пластилина на двойную спираль;  
5. Оформление подписи к модели.

2. Процесс изготовления деталей и сборка молекул

После того как был составлен план я приступила к изготовлению модели.

3. Расчет стоимость готовой модели

Для изготовления модели молекулы ДНК был выбран воздушный пластилин. Выбор пол на него, так как он легкий и не прогнет основу. Основа из алюминия, сделана на заказ. Деревянная подставка от старой игрушки. После изготовления модели ДНК была рассчитана ее стоимость.  Расчет стоимость готовой модели представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчет стоимости модели

Из таблицы можно сделать вывод о итоговой стоимости готовой модели молекулы ДНК. Готовая стоимость составляет 470 рублей.  Для сравнения стоимость магазинной модели в среднем составляет 1500 тысячи рублей.        

Заключение

В ходе реализации исследовательского проекта были изучены строение и свойства молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, подобраны материалы для создания модели, изготовлена модель молекулы ДНК.

Данная модель может быть использована на занятиях по биологии при изучении тем: «Химический состав клетки», «Обмен веществ и превращение энергии в клетке», «Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости», на уроках химии при изучении следующих тем «Гетероциклические органические соединения», «Биологически активные соединения», «Углеводы».

Список использованной литературы

1. Биология.10-11классы: учеб. Для общеобразоват. организаций: базоовый уровень/Л.Н. Сухорукова, В.С. Кучменко, Т.В Иванова.-5-е изд.-М. :  Просвящения , 2018.-127,[1] с : ил.-(Сферы).-ISBN 978-5-09-058862-1

2. Химия. 10 класс : учебник : углубленный уровень / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. И. Теренин, А. А. Дроздов, В. В. Лунин; под ред. В. В. Лунина. – 9 – е изд., стер. – М. : Просвещение, 2022. – 446, [2] с. : ил.

3. https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/nukleinovye-kisloty/dnk-dezoksiribonukleinovaya-kislota.html

4.  

https://ru.wikipedia.org/wiki/Дезоксирибонкулеиновая_кислота

5. http://kidsclever.ru/content/stihi-pro-dnk 

6. https://codepen.io/a1ip/full/jqaOYd

7.  http://biplant.ru/konstruktory/seriya-duko/duko-3

8. https://top10a.ru/interesnye-fakty-o-dnk.html

9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Незаменимые_аминоксилоты

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Белки#Функции_белков_в_организме