Вследствие нерастворимости прикрепленного к сетчатому полимеру полипептида упрощается его очистка, повышается выход (при обычном методе синтеза инсулина, состоящего из 221 стадии, суммарный выход ничтожно мал; новый метод дает выход до 68%) и практически исключается рацемизация. Новый метод может быть автоматизирован, и с некоторыми изменениями он пригоден для синтеза полисахаридов и полинуклеотидов.
При воспроизведении ДНК возможно появление «ошибочных» звеньев, например вследствие перехода остатка тимина в енольную форму:
Т.к. новая форма в отличие от исходной способна образовывать три водородные связи вместо двух, «дочерняя» двойная спираль будет содержать «неправильные» пары. Этот эффект может быть вызван радиоактивным облучением или замещением аминогруппы органического основания на группу ОН: R--NH2 + HO--NO > R--OH + N2 + H2O.
Даже незначительные «повреждения» в макромолекуле ДНК имеют большое значение, так как они носят наследственный характер и могут передаваться от ДНК к РНК и от РНК к аминокислотам. В результате изменится не только весь ход биосинтеза в клетке, но также свойства, ферментативная активность и сама природа образующихся белков [54-56,69, 70].
3.1.3 Урок по теме «Нуклеиновые кислоты»Задачи урока:Познавательные. Сформировать знания о нуклеиновых кислотах (НК) как макромолекулах, о свойствах и функциях НК, их роли в процессах жизнедеятельности; обобщить знания, получаемые учащимися на уроках химии и биологии по теме «Нуклеиновые кислоты».Развивающие. Развивать умения анализировать теоретический материал, развивать познавательный интерес учащихся на основе межпредметных связей и научить применять знания в различных областях.Воспитательные. Формировать научное мировоззрение, представление о роли естественных наук в современном обществе, целостную картину мира.Оборудование: таблицы, схемы и рисунки, иллюстрирующие строение и механизм действия ферментов, схема классификации ферментов, схема строения нуклеотида, модель строения ДНК.Основные понятия: Нуклеиновые кислоты - непериодические полимеры. Строение нуклеотида. Образование полинуклеотидов. Образование двухцепочечной молекулы ДНК. Принцип комплементарности.I. Проверка знанийУстная проверка знаний по вопросам1. Белки, их строение.
2. Свойства белков.
3. Структуры белков.
4. Ферменты и их значение в процессах жизнедеятельности.
2. Строение ферментов и причина их высокой специфичности.
3. Отличия ферментов от небиологических катализаторов.
4. Механизм действия ферментов.
5. Классификация ферментов.
II. Изучение нового материала
1. Нуклеиновые кислоты, их содержание в клетке, размеры молекул и молекулярная масса
Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, полинуклеотиды, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.
Эти органические соединения были открыты в 1869 г. швейцарским врачом И.Ф. Мишером в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах, сперматозоидах лосося). Нуклеиновые кислоты (НК) являются составной частью клеточных ядер, поэтому они и получили такое название (от лат. nucleus - ядро). Помимо ядра нуклеиновые кислоты встречаются также в цитоплазме, центриолях, митохондриях, хлоропластах.
В природе существуют НК двух типов: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Они различаются по составу, строению и функциям. ДНК имеет двухцепочечную молекулу, а РНК - одноцепочечную. Содержание нуклеиновых кислот в живом веществе - от 1 до 2%.
Нуклеиновые кислоты - биополимеры, достигающие огромных размеров. Длина их молекул равна сотням тысяч нанометров (1 нм = 10-9 м), это в тысячи раз больше длины белковых молекул. Особенно велика молекула ДНК. Молекулярная масса нуклеиновых кислот достигает десятков миллионов и миллиардов (105-109). Например, масса ДНК кишечной палочки равна 2,5x109, а в ядре половой клетки человека (гаплоидный набор хромосом) длина молекул ДНК составляет 102 см.
2. НК - непериодические полимеры. Типы нуклеотидов и их строение
Нуклеиновые кислоты - непериодические биополимеры, полимерные цепи которых образованы мономерами, называемыми нуклеотидами. В молекулах ДНК и РНК содержится по четыре типа нуклеотидов. Нуклеотиды ДНК называют дезоксирибонуклеотидами, а РНК - рибонуклеотидами. Нуклеотидный состав ДНК и РНК отражают данные таблицы.
Таблица 1. Состав нуклеотидов ДНК и РНК
Дезоксирибонуклеотиды | Рибонуклеотиды | |
Адениловый (А) Гуаниловый (Г, G)Тимидиловый (Т) Цитозиловый (Ц, С) | Адениловый (А) Гуаниловый (Г, G) Уридиловый (У, U) Цитозиловый (Ц, С) |
Рассмотрим строение нуклеотида. Нуклеотиды - сложные органические соединения, включающие в себя три компонента. Схема строения нуклеотида ДНК приведена на рисунке.
1. Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с атомами углерода входят атомы других элементов, в частности азота. За присутствие в этих соединениях атомов азота они и получили название «азотистые», а поскольку обладают щелочными свойствами - «основания». Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, имеющего в составе своей молекулы одно кольцо. В составе дезоксирибонуклеотидов обнаруживаются пиримидиновые основания тимин и цитозин, а в составе рибонуклеотидов - цитозин и урацил. Урацил отличается от тимина отсутствием метильной группы (-СН3).
Пиримидиновые основания
Пуриновые основания
Пуриновые основания являются производными пурина, имеющего два кольца. К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин. Они входят в состав нуклеотидов как ДНК, так и РНК.
По содержащемуся азотистому основанию нуклеотиды и получили свое название. Например, нуклеотид, содержащий азотистое основание тимин называется тимидиловым, урацил - уридиловым и т.д. Азотистые основания и нуклеотиды в целом принято обозначать заглавными русскими или латинскими начальными буквами.
2. Углевод - пентоза (C5). Этот компонент также принимает участие в образовании нуклеотидов. В составе нуклеотидов ДНК содержится пентоза - дезоксирибоза, а в составе нуклеотидов РНК - рибоза. Углеводный состав нуклеотидов отражен, как мы видим, в названиях нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая. Соединения пентозы с азотистым основанием получили название «нуклеозиды».
3. Остаток фосфорной кислоты. Фосфат придает нуклеиновым кислотам кислые свойства.
Итак, нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и фосфата. В составе нуклеотидов с одной стороны к углеводу присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты.
3. Соединение нуклеотидов в цепь
Нуклеотиды соединяются между собой в ходе реакции конденсации. При этом между 3'-атомом углерода остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложная эфирная связь. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи. Один конец полинуклеотидной цепи (его называют 5'-концом) заканчивается молекулой фосфорной кислоты, присоединенной к 5'-атому углерода, другой (его называют 3'-концом) - ионом водорода, присоединенным 3'-атому углерода. Цепь последовательно расположенных нуклеотидов составляет первичную структуру ДНК.
Образование первичной структуры ДНК
Таким образом, скелет полинуклеотидной цепочки углеводно-фосфатный, т.к. нуклеотиды соединяются друг с другом путем образования ковалентных связей (фосфодиэфирных мостиков), в которых фосфатная группа образует мостик между С3-атомом одной молекулы сахара и С5-атомом следующей. Прочные ковалентные связи между нуклеотидами уменьшают риск «поломок» нуклеиновых кислот.
Если в составе полинуклеотида, образованного четырьмя типами нуклеотидов, 1000 звеньев, то количество возможных вариантов его состава 41000. Поэтому всего четыре типа нуклеотидов могут обеспечить огромное разнообразие НК и той информации, которая содержится в них.
4. Образование двухцепочечной молекулы ДНК
В 1950 г. английский физик Морис Уилкинс получил рентгенограмму ДНК. Она показала, что молекула ДНК имеет определенную структуру, расшифровка которой помогла бы понять механизм ее функционирования. Рентгенограммы, полученные на высокоочищенной ДНК, позволили Розалинд Франклин увидеть четкий крестообразный рисунок - опознавательный знак двойной спирали. Стало известно, что нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали их приходится 10.
Двойная спираль ДНК
Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Из рентгенографических данных, однако, было не ясно, каким образом две цепи удерживаются вместе.
Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик Фрэнсис Крик, рассмотрев совокупность известных данных о строении ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания - в середине.
Сахарофосфатный остов ДНК
Д.Уотсон и Ф.Крик установили, что две полинуклеотидные цепи ДНК закручены вокруг друг друга и вокруг общей оси. Цепи ДНК - антипараллельны (разнонаправлены), т.е. против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой (представьте себе двух змей скрутившихся в спираль, - голова одной к хвосту другой). Спираль обычно закручена вправо, но есть случаи образования и левой спирали.
5. Правила Чаргаффа. Сущность принципа комплементарности
Еще до открытия Уотсона и Крика, в 1950 г. австралийский биохимик Эдвин Чаргафф установил, что в ДНК любого организма количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых нуклеотидов равно количеству цитозиловых нуклеотидов (А=Т, Г=Ц), или суммарное количество пуриновых азотистых оснований равно суммарному количеству пиримидиновых азотистых оснований (А+Г=Ц+Т). Эти закономерности получили название «правила Чаргаффа».
Дело в том, что при образовании двойной спирали всегда напротив азотистого основания аденин в одной цепи устанавливается азотистое основание тимин в другой цепи, а напротив гуанина - цитозин, то есть цепи ДНК как бы дополняют друг друга. А эти парные нуклеотиды комплементарны друг другу (от лат. complementum - дополнение). Мы уже несколько раз сталкивались с проявлением комплементарности (комплиментарны друг другу активный центр фермента и молекула субстрата; комплементарны друг другу антиген и антитело).
Почему же этот принцип соблюдается? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить о химической природе азотистых гетероциклических оснований. Аденин и гуанин относятся к пуринам, а цитозин и тимин - к пиримидинам, то есть между азотистыми основаниями одной природы связи не устанавливаются. К тому же комплементарные основания соответствуют друг другу геометрически, т.е. по размерам и форме.
Таким образом, комплементарность нуклеотидов - это химическое и геометрическое соответствие структур их молекул друг другу.
В азотистых основаниях имеются сильноэлектроотрицательные атомы кислорода и азота, которые несут частичный отрицательный заряд, а также атомы водорода, на которых возникает частичный положительный заряд. За счет этих частичных зарядов возникают водородные связи между азотистыми основаниями антипараллельных последовательностей молекулы ДНК.
Образование водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями
Между аденином и тимином возникают две водородные связи (А=Т), а между гуанином и цитозином - три (Г=Ц). Подобное соединение нуклеотидов обеспечивает, во-первых, образование максимального числа водородных связей, а во-вторых, одинаковое по всей длине спирали расстояние между цепями. Из всего выше сказанного вытекает, что, зная последовательность нуклеотидов в одной спирали, можно выяснить порядок следования нуклеотидов на другой спирали.
Двойная комплементарная цепь составляет вторичную структуру ДНК. Спиральная форма ДНК является ее третичной структурой.
III. Закрепление знаний. Обобщающая беседа по ходу изучения нового материала; решение задач.
IV. Домашнее задание. Изучить конспект, сделанный в классе (содержание, молекулярная масса нуклеиновых кислот, строение нуклеотида, правило Чаргаффа, принцип комплементарности, образование двухцепочечной молекулы ДНК), решить задачи после текста параграфа [70-72].
3.1.4 Обобщающий интегрированный урок-семинар«Белки - строение и свойства»В современной науке наблюдается тенденция объединения различных отраслей знания. Приметой времени можно считать появление биофизики, биохимии, физической химии, космической медицины и т.п.К сожалению, часто приходится наблюдать, что учащиеся не могут применить знания, полученные на уроках химии и физики, при анализе закономерностей, изучаемых на уроках биологии. Эти предметы им кажутся несовместимыми.Предлагаем обобщающий урок-семинар, раскрывающий взаимосвязь биологии, химии и физики. На уроке рассмотрены строение, свойства и значение белков с точки зрения химии, биологии и физики.Такие занятия имеют большое значение в формировании научного мировоззрения учащихся. Данный урок был проведен на сдвоенном уроке.Задачи урока:Познавательные. Сформировать знания о белках как макромолекулах - биополимерах, о мономерах белков, о свойствах и функциях белков, их ведущей роли в процессах жизнедеятельности; рассказать о физических методах познания природы, в частности биологических микросистем; обобщить знания, получаемые учащимися на уроках химии и биологии по теме «Белки», с использованием физических теорий.Воспитательные. Формировать научное мировоззрение, представление о роли естественных наук в современном обществе, целостную картину мира.Развивающие. Развивать умения анализировать результаты лабораторных опытов, устанавливать причинно-следственные связи между явлениями живой и неживой природы, развивать познавательный интерес учащихся на основе межпредметных связей, научить применять знания, получаемые на одном предмете, при анализе явлений или процессов, изучаемых другими предметами.Оборудование и реактивы. Эпипроектор, графопроектор, экран, опорный конспект, таблица «Элементный состав белков», схемы «Способы классификации белков», «Классификация белков по составу» и другие, модели молекул, таблички с вопросами учащимся; реактивы для проведения практической части.Оформление доски. На доске цветными мелками изображен опорный конспект урока.Эпиграф. «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые» (Д.Хевеши).ПЛАН1. Значимость белков.
2. Строение белков.
3. Классификация белков.
4. Свойства белков.
5. Белок и окружающая среда.
6. Итог урока.
ХОД УРОКА
Учитель химии. Сегодня мы рассмотрим белки с разных сторон, чтобы связать воедино разрозненные сведения об этих веществах. Чем же удивительны белки?
Учитель биологии. С чем связана тайна жизни? Важную, а может быть, и главную роль во всех жизненных процессах играют белки. Белки составляют 10-18% от общей массы клетки. В каждой клетке находится более 3000 молекул белков. В организме человека насчитывается свыше 10 млн. белков. В клетках белки играют важнейшую роль. Есть белки - переносчики веществ, ионов, протонов, электронов; есть биокатализаторы, есть регуляторы разнообразных процессов в клетках и организмах. Важную роль играют опорные и сократительные белки. Белки защищают организм от инфекции. Контакты клетки с внешней средой выполняют разнообразные белки, умеющие различать форму молекул, регистрировать температурные изменения, ничтожные примеси веществ, отличать один цвет от другого. Уже из этого можно сделать вывод: наиболее важными органическими соединениями клетки являются белки.
Для понимания функций белков в клетке, обеспечивающих ее жизнедеятельность, необходимо знать строение белковых молекул.
Опорный конспект
Учитель химии. Вещества белковой природы известны с давних времен. Начало их изучению положено в середине XVIII в. итальянцем Я.Б.Беккари, который предложил углеродную теорию. Через 100 лет ученые пришли к выводу, что белки - главный компонент живых организмов. Затем из белковых гидролизатов были получены продукты расщепления, и возникла гипотеза о том, что белки состоят из остатков аминокислот (А.Я.Данилевский). Над проблемой строения белков долгое время работал Э.Г.Фишер. На основе его работ была создана полипептидная теория строения белков. Было доказано, что в состав белков входят атомы углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и другие (табл.).
Таблица
Элементный состав белков
Элемент | Содержание, % | |
C | 50-55 | |
H | 6,5-7,3 | |
O | 19-24 | |
N | 15-19 | |
S | 0,2-2,4 |
Особенно характерен для белков 15-18%-й уровень содержания азота. На заре белковой химии этот показатель играл большую роль при решении вопроса о принадлежности высокомолекулярного вещества к классу белков.
Чтобы доказать наличие азота и серы в курином белке, выполните опыт. Сделайте вывод и запишите его в тетрадь.
Опыт 1. Обнаружение азота и серы в белках
К раствору белка добавить крепкий раствор щелочи и нагреть. Выделяется аммиак, который обнаруживается по посинению влажной лакмусовой бумажки. После нагревания раствор разбавить в 3-4 раза водой и прилить раствор ацетата свинца, образуется осадок сульфида свинца.
Учитель химии. Согласно полипептидной теории белки имеют первичную, вторичную, третичную, а некоторые и четвертичную структуру. Послушайте сообщение о первичной структуре белка.
Ученик. Под первичной структурой белка понимают последовательность расположения аминокислотных остатков в одной или нескольких полипептидных цепях, составляющих молекулу белка. Если принять аминокислоту за бусинку, то даже из небольшого числа бусинок можно составить несколько разных сочетаний. (Демонстрирует несколько бус, собранных из одинаковых бусинок трех цветов.) Так и в молекуле белки образуют большое число изомеров (рис. 1).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
