Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №17/2009

Я иду на урок

Э. Ф. Валиева

Урок-лекция «Молекулярная структура живого»

Оборудование: мультимедийная презентация.

I. Актуализация знаний

Слайд 1. «Ключевые слова (элементарный состав клетки, вода, белки, ДНК, РНК, репликация)».

Контрольный тест

1. Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке следующие функции:

а) хранение и передача наследственных свойств;
б) контроль за синтезом белка;
в) регуляция биохимических процессов;
г) деление клеток;
д) все перечисленное.

Статья опубликована при поддержке компании "Евина". Компания занимается изготовлением и реставрацией лепнины, установка интерьерной и фасадной лепнины. Высококачественная лепнина из гипса для фасадов и интерьеров, услуга изготовления лепнины по индивидуальному проекту. Узнать подробную информацию о компании, посмотреть каталог, цены и контакты Вы сможете на сайте, который располагается по адресу: http://www.evina.ru.

2. Мономерами нуклеиновых кислот являются:

а) аминокислоты;
б) нуклеотиды;
в) молекулы белка;
г) молекулы глюкозы.

3. Группа веществ, к которым относится рибоза:

а) белки;
б) жиры;
в) углеводы.

4. Мономером молекулы белка являются:

а) глюкоза;
б) глицерин;
в) жирная кислота;
г) аминокислота.

5. Растворителем жиров могут быть:

а) вода;
б) спирт;
в) эфир;
г) бензин.

II. Изучение нового материала

На уроках естествознания вы прикоснулись к раскрытию тайны живого, пытаясь ответить на вопрос: «Что такое жизнь?». Явление жизни мы в первую очередь связываем с теми веществами, из которых построены живые организмы: углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами и, конечно же, белками.

1. Элементный и молекулярный состав живого

В организме человека находится 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. (Слайд 2. «Содержание химических элементов в клетке».) Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.

На столах у учеников таблицы «Биологическая роль химических элементов» (табл. 1). После самостоятельного ознакомления с ней ученики вместе с учителем анализируют таблицу.

Таблица 1. Биологическая роль химических элементов

Химические элементы

Вещества, в которых химический элемент содержится

Функциональная роль

Углерод, водород, кислород, азот

Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества

Необходимы для синтеза органических веществ и выполнения функций, осуществляемых этими органическими веществами

Калий, натрий

Na + – главный внеклеточный ион, К + – преобладающий ион внутри клеток

Обеспечивают функции мембран, проведение нервных импульсов

Кальций

Са 2+

Участвует в процессах свертывания крови, сокращении мышц

Фосфат кальция, карбонат кальция

Входят в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков

Пектат кальция

Участвует в формировании клеточной стенки у растений

Магний

Хлорофилл

Участвует в процессе фотосинтеза, активирует работу ферментов

Сера

Белки

Участвует в формировании пространственной структуры белка

Фосфор

Нуклеиновые кислоты, АТФ

Синтез нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); входит в состав костей

Хлор

Cl

Участвует в проведении нервных импульсов

НCl

Активирует работу пищеварительных ферментов желудочного сока

Железо

Гемоглобин

Транспорт кислорода и углекислого газа

Цитохромы

Участвует в процессах фотосинтеза и дыхания

Марганец

Декарбоксилазы, дегидрогеназы

Окисление жирных кислот, участвует в процессах дыхания и фотосинтеза

Медь

Гемоцианин

Обеспечивает транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных

Тирозиназа

Участвует в синтезе меланина – пигмента кожи

Кобальт

Витамин В12

Необходим для формирования эритроцитов (красных кровяных телец)

Цинк

Алкогольдегидрогеназа

Участвует в гликолизе у дрожжей

Карбоангидраза

Обеспечивает баланс СО2 и H2CO3 у позвоночных, участвует в регуляции рН

Фтор

Фторид кальция

Входит в состав костной ткани, зубной эмали

Йод

Тироксин

Участвует в регуляции основного обмена веществ

Молибден

Нитрогеназа

Обеспечивает фиксацию азота

Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов – H, C, N, О, Р, S. Эти элементы называют биогенными, и на их долю приходится 98% массы живого вещества (т.е. остальные элементы периодической системы составляют не более 2%).

Три основных признака биогенных элементов:

– малый размер атомов,
– небольшая относительная атомная масса,
– способность образовывать прочные ковалентные связи.

Ученикам раздаются тексты. Задание: внимательно прочитать текст; выделить элементы, необходимые для жизни, и элементы, опасные для живых организмов; найти их в периодической системе элементов и объяснить их роль.

После выполнения задания несколько учеников проводят анализ разных текстов.

Текст 1

Химический элемент кальций участвует в образовании костной ткани животных и человека, в белковом обмене. Магний входит в состав хлорофилла растений, регулирует кровяное давление. Он необходим для вырабатывания энергии организмом.

Барий – элемент этой же подгруппы, даже в небольших количествах он опасен для организма. Соли бария очень ядовиты. При остром отравлении ими поражается нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор – это приводит к размягчению костей.

Текст 2

Элемент побочной подгруппы II группы цинк – незаменимый для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов и гормонов (например, инсулина, вырабатываемого поджелудочной железой). Цинк влияет на рост растений и животных (недостаток его вызывает карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спиртовое брожение), в транспорте углекислого газа в крови позвоночных, в усвоении белков.

Содержание кадмия и ртути в живом организме минимально. Кадмий проявляет канцерогенные свойства. Его растворимые соединения после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень, почки. Этот элемент попадает в биосферу с минеральными удобрениями (как примесь в составе суперфосфата), при сжигании мусора, содержащего изделия из пластмассы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1–2 мкг кадмия и 25% от этого количества остается в организме.

Ионы ртути в микроколичествах участвуют в образовании белков и передаче наследственной информации. В то же время в несколько больших дозах они разрушают белковые молекулы, вызывают расстройства нервной системы, ухудшают работу сердца, угнетают жизнедеятельность фитопланктона (водорослей) и т.д.

Текст 3

Бор – элемент главной подгруппы III группы – обязательный для организма микроэлемент (содержание его составляет 10–3%). Этот элемент положительно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток бора приводит к отмиранию у растений точек роста стеблей и корней.

Концентрации галлия, таллия в организме человека составляют 10–6% и 10–12% соответственно. Таллий – сильный яд, его действие проявляется в неврологических расстройствах, выпадении волос.

Текст 4

Среди элементов IV группы углерод – основа жизни (концентрация его в организме человека – 10%), а свинец (10–6–10–12%), и его соединения – яды, вызывающие рак почек и желудочно-кишечного тракта, препятствующие газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связано с использованием его в промышленности. Основной вид использования свинца, при котором он широко рассеивается, – производство и применение алкилсвинцовых присадок к топливу. Большие количества свинца попадают с отходами в почву и воду при добыче и переработке руд, производстве стали, аккумуляторных батарей, типографских шрифтов, пигментов, взрывчатых веществ, нефтепродуктов, фотоматериалов, стекла. Для снижения выбросов свинца переходят к широкому использованию на транспорте электричества, ведут работы по сокращению содержания свинца в автомобильном бензине и переходу на альтернативные виды топлива. Совершенствуются двигатели внутреннего сгорания, создаются новые системы двигателей и электромобили. В «свинцовую» промышленность внедряют безотходные технологии. Хроническое свинцовое отравление сказывается прежде всего на функциях центральной нервной системы.

Текст 5

Элементы V группы – азот и фосфор – истинные биогены, т.е. входят в состав всех организмов. Их содержание в организме – по 0,1%. Их сосед по группе – мышьяк (10–6%) изменяет толщину стенок сосудов, вызывает расстройства сердечной деятельности, обезвоживание организма и потерю солей, нарушение переноса кислорода гемоглобином крови (развивается анемия). Отравление мышьяком повышает вероятность возникновения рака кожи, заболеваний лимфатической системы и желудочно-кишечного тракта. Предполагается, что мышьяк замещает в организме фосфор в молекуле ДНК и нарушает передачу наследственной информации. Соединения мышьяка содержатся в отходящих доменных газах, в угольной золе, в отходах медеплавильного и сернокислотного производств.

2. Строение молекулы воды и ее свойства

Содержание воды в клетках разных тканей организма различно. (Слайд 3. «Содержание воды в различных клетках организма».) Чем это можно объяснить?

(Учащиеся анализируют факты, вспоминают о функциях воды (рис. 1), делают вывод о соответствии содержания воды, интенсивности процесса обмена веществ.)

Рис. 1. Функции воды

Демонстрация опытов

1. Растворить в воде следующие вещества: поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло.
2. Опустить кусочек льда в стакан с водой.
3. В пробирку с хлопьями яичного белка добавить желудочный сок.

Ответьте на следующие вопросы:

• Почему одни вещества растворяются в воде, а другие нет?
• Что вы можете сказать о плотности воды и льда?
• Какие реакции вы наблюдали в опыте?
• Какие свойства воды вы наблюдали?

(Учитель комментирует ответы, учащиеся делают записи в тетрадях.)

3. Аминокислоты и белки

Все организмы – грибы, растения, животные, бактерии – содержат белки.

Белки – высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков 20 различных аминокислот. Известно более 150 аминокислот, но из них лишь 20 представлены в белках. Аминокислоты могут существовать в двух изомерных формах, L и D, являющихся зеркальными отображениями друг друга. В состав белков входят только L-изомеры, а включение D-изомера нарушает структуру белка.

Рис. 2. Уровни организации белковой молекулы

Белки – важнейший компонент нашей пищи. У человека белки составляют четверть массы тела. Единственным источником их образования в организме являются аминокислоты белков в пище. Вот почему белки незаменимы в питании человека.

Молекулярная масса белков колеблется от 5 тыс. до 1 млн и выше. В природе существует только малая часть теоретически возможного количества белка.

Белки – основа жизни клетки. Во всех частях тела организма есть белки. В крови и мышцах белки составляют 1/5 от их общей массы, в мозге 1/12, а в эмали зубов 1% от общей ее массы. В разных органах белки составляют 45–85% сухой массы вещества.

Белки образуются при поликонденсации α-аминокислот, при которой возникает полипептидная связь. Поэтому белки состоят из тех же элементов, что и аминокислоты: углерод, водород, азот, кислород и сера (табл. 2).

Таблица 2. Элементный состав белков

Химические элементы

Вещества, в которых химический элемент содержится

Функциональная роль

Углерод, водород, кислород, азот

Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества

Необходимы для синтеза органических веществ и выполнения функций, осуществляемых этими органическими веществами

Калий, натрий

Na + – главный внеклеточный ион, К + – преобладающий ион внутри клеток

Обеспечивают функции мембран, проведение нервных импульсов

Кальций

Са 2+

Участвует в процессах свертывания крови, сокращении мышц

Фосфат кальция, карбонат кальция

Входят в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков

Пектат кальция

Участвует в формировании клеточной стенки у растений

Магний

Хлорофилл

Участвует в процессе фотосинтеза, активирует работу ферментов

Сера

Белки

Участвует в формировании пространственной структуры белка

Фосфор

Нуклеиновые кислоты, АТФ

Синтез нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); входит в состав костей

Хлор

Cl

Участвует в проведении нервных импульсов

НCl

Активирует работу пищеварительных ферментов желудочного сока

Железо

Гемоглобин

Транспорт кислорода и углекислого газа

Цитохромы

Участвует в процессах фотосинтеза и дыхания

Марганец

Декарбоксилазы, дегидрогеназы

Окисление жирных кислот, участвует в процессах дыхания и фотосинтеза

Медь

Гемоцианин

Обеспечивает транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных

Тирозиназа

Участвует в синтезе меланина – пигмента кожи

Кобальт

Витамин В12

Необходим для формирования эритроцитов (красных кровяных телец)

Цинк

Алкогольдегидрогеназа

Участвует в гликолизе у дрожжей

Карбоангидраза

Обеспечивает баланс СО2 и H2CO3 у позвоночных, участвует в регуляции рН

Фтор

Фторид кальция

Входит в состав костной ткани, зубной эмали

Йод

Тироксин

Участвует в регуляции основного обмена веществ

Молибден

Нитрогеназа

Обеспечивает фиксацию азота

Лабораторная работа «Химический состав клетки»

Чтобы доказать, что в состав белков входит азот, к водному раствору белка куриного яйца добавим раствор щелочи и нагреем. Универсальную индикаторную бумагу, смоченную водой, поднесем к отверстию пробирки – бумажка синеет, так как из раствора при щелочном гидролизе белка выделяется газ аммиак NH3. Следовательно, в состав белка входит азот.

Все белки, растительные и животные, состоят из аминокислот. Белки, поступающие с пищей, под влиянием ферментов подвергаются гидролизу.

Гидролиз – это разложение веществ с присоединением молекул воды. В кислой среде желудка под действием протеолитических ферментов (ферментов, ускоряющих гидролиз белков) белки расщепляются до аминокислот. Аминокислоты всасываются ворсинками кишечника, поступают в кровь, а с нею – во все ткани организма. Затем основная масса аминокислот идет на синтез собственных белков организма.

Синтез идет с поглощением энергии. Такие реакции называются эндотермическими. Часть аминокислот подвергается распаду и окислению, при этом азот отщепляется в виде аммиака, который превращается в мочевину и выводится с мочой. Углерод и водород окисляются до углекислого газа и воды. Эти реакции идут с выделением энергии и являются экзотермическими.

В процессе обмена белков происходит обмен энергии. Синтез белков организма в клетке сопровождается поглощением энергии (ассимиляция), а при расщеплении белков и аминокислот энергия выделяется (процесс диссимиляции).

4. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), РНК (рибонуклеиновые кислоты). Подобно углеводам и белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот.

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: азотистого основания, сахара-пентозы и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания пяти типов: аденин, гуанин, урацил, тимин, цитозин. Помимо азотистых оснований в образовании нуклеотидов принимают участие два сахара: рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК. Третьим компонентом нуклеотидов, как в ДНК, так и в РНК, является остаток фосфорной кислоты – фосфат.

Комплекс азотистого основания с сахаром называется нуклеозидом, а при присоединении к последнему фосфата образуется нуклеотид. Названия нуклеотидов немного отличаются от названий соответствующих оснований. И те и другие принято обозначать заглавными буквами:

цитозин, цитидин – Ц;
урацил, уридин – У;
аденин, аденозин – А;
тимин, тимидин – Т;
гуанин, гуанозин – Г.

Строение ДНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокомолекулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. Каждая из цепей ДНК является линейным полимером, в котором нуклеотиды последовательно соединены друг с другом при помощи ковалентной фосфодиэфирной связи между остатком дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида (рис. 3).

Рис. 3. Структура ДНК

В состав ДНК входят нуклеотиды четырех типов: А, Т, Г и Ц. В цепи ДНК нуклеотиды одного типа могут повторяться бесчисленное количество раз. Молекулы ДНК могут достигать гигантских размеров. Так, например, 23 пары хромосом человека (состоящие из ДНК) содержат в себе более 3 млрд пар нуклеотидов!

ДНК в клетке чаще всего встречается в виде особой структуры – двойной спирали, в которой цепи (молекулы ДНК) прочно связаны друг с другом. Существование подобной структуры возможно благодаря особенностям строения нуклеотидов, которые легко образуют комплементарные пары: напротив А всегда располагается Т, а напротив Г – Ц. Цепи ДНК ориентированы строго определенным образом: азотистые основания нуклеотидов обеих цепей обращены внутрь, а сахара и фосфаты – наружу; кроме того, цепи расположены очень близко друг к другу (около 1,8 нм).

Между азотистыми основаниями пары А и Т образуются 2 водородные связи, а между Г и Ц – 3, поэтому прочность связи Г–Ц выше, чем А–Т.

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В организме ДНК, являясь основой уникальности индивидуальной формы, определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.

Репликация ДНК

Рис. 4. Репликация ДНК

Существование механизма «размножения» молекул ДНК, благодаря которому воспроизводятся точные копии исходных молекул, делает возможным передачу генетической информации от материнской клетки дочерним во время деления.

Процесс удвоения количества молекул ДНК называется репликацией. Это сложный процесс, осуществляемый ферментами, полное название которых – ДНК-зависимые-ДНК-полимеразы типа I, II, III (или просто ДНК-полимеразы).

В основе репликации лежит способность нуклеотидов к комплементарному взаимодействию с образованием водородных связей между А и Т, Г и Ц.

Специальные белки разрывают связи между цепями и «расплетают» молекулу ДНК, так что ее цепи разделяются. Это расплетание осуществляется на небольшом отрезке в несколько десятков нуклеотидов. На расплетенном участке ДНК-полимеразы строят дочерние цепи ДНК. При этом материнские цепи выступают в роли матриц, по которым ферменты, подбирая комплементарные нуклеотиды один за одним, выстраивают дочерние цепи. После того как дочерние цепи ДНК построены и комплементарно соединены с материнскими, происходит расплетание нового отрезка, и цикл репликации повторяется (рис. 4).

Такой способ репликации, при котором в каждую дочернюю клетку отходит двухцепочечная ДНК, одна цепь которой является старой, материнской, а другая вновь синтезированной, называется полуконсервативным способом репликации ДНК. Точность воспроизведения информации (точность синтеза дочерних цепей) при репликации почти абсолютная – малейшая ошибка может привести к серьезным последствиям. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерней, что и происходит при делении соматических клеток.

Однако ошибки встречаются и здесь, приводя к спонтанным мутациям. Для повышения надежности сохранения информации в клетке имеются системы репарации, восстанавливающие поврежденную цепь ДНК по неповрежденной. Репарация ДНК – механизм, обеспечивающий способность к исправлению нарушенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Изменение обычно происходит в одной из цепей ДНК, вторая цепь остается неизменной. Все реакции репарации осуществляются ферментами. Поврежденный участок цепи «вырезается» с помощью ферментов – ДНК-репарирующих нуклеаз. Другой фермент – ДНК-полимераза копирует информацию с неповрежденной цепи, вставляя необходимые нуклеотиды в поврежденную цепь. Затем ДНК-лигаза «сшивает» молекулу ДНК, и поврежденная молекула восстанавливается.

Строение РНК

Хотя строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК, тем не менее имеется ряд существенных отличий. В состав нуклеотидов РНК вместо дезоксирибозы входит сахар рибоза, а вместо тимина используется урацил. Главное отличие РНК от ДНК состоит в том, что РНК имеет лишь одну цепь. Из-за этого химически РНК менее стабильна, чем ДНК, и в водных растворах РНК быстро расщепляется. Поэтому РНК менее подходит для долговременного хранения информации.

Рис. 5. Структура различных молекул РНК

Рис. 6. Участие молекул РНК в синтезе белка

Существует три основных вида РНК (рис. 5). Информационная (матричная) РНК – мРНК – наиболее разнородная по размерам, структуре и стабильности группа молекул РНК с длиной цепи 75–3000 нуклеотидов. мРНК представляет собой полинуклеотидную незамкнутую цепь. Единой пространственной структуры, характерной хотя бы для большинства мРНК, не обнаружено. Все мРНК объединяет их функция – они служат в качестве матриц для синтеза белков (рис. 7), передавая информацию об их структуре с молекул ДНК.

Рис. 7. Схема синтеза белка

Транспортная (акцепторная) РНК – тРНК – состоит из 75–100 нуклеотидов. Функция тРНК – перенос аминокислот на рибосому к синтезируемой молекуле белка. Число различных видов тРНК в клетке невелико: 20–61. Все они имеют сходную пространственную организацию.

Рибосомная РНК – рРНК – одноцепочечная нуклеиновая кислота, которая в комплексе с рибосомными белками образует рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез белка (рис. 6). Известно много типов рРНК – это разнородная группа молекул с длиной цепи 120–3500 нуклеотидов. В клетке больше всего содержится рРНК, значительно меньше тРНК и совсем немного мРНК. Так, у кишечной палочки E.coli соотношение этих видов РНК составляет примерно 82, 16 и 2% соответственно.

III. Закрепление

Заполнение таблиц.

Свойства воды

Роль воды
в жизнедеятельности клеток

   

Сравнительная характеристика ДНК и РНК.

Отличительные признаки

ДНК

РНК

     

IV. Рефлексия. Подведение итогов урока

V. Домашняя работа

Уровень1. Ответьте на вопросы на с. 93 учебника.

Уровень 2. Постройте пространственную модель небольшого фрагмента молекулы ДНК, используя спички и шарики из пластилина.

Уровень 3. Соберите дополнительный материал по следующим темам: «Геном человека», «Наследственные болезни», «Клонирование животных», «Геном человека в медицине», «История открытия нуклеиновых кислот».

ЛИТЕРАТУРА

1. Биология. Газета ИД «Первое сентября», 1998–2005.
2. Богданова Т.Г., Солодова Е.А. Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы. – М.: Аст-Пресс, 2003.
3. Диск 1С: Репетитор. Биология. – М., 2002.
4. Диск «Энциклопедия Кирилла и Мефодия». – М., 2004.
5. Закиев Р.К. Избранные главы общей генетики. – Казань, 1991.
6. Киселева З.С., Мягкова А.Н. Генетика. – М.: Просвещение, 1983.
7. Мамонтов С.Г. Биология. – М.: Школа-пресс, 1994.
8. Павлов И.Ю., Вахненко Д.В., Москвичев Д.В. Биология, репетитор для поступления в вузы. – Ростов-на-Дону, 2002.
9. Роберт И.В. Современные образовательные технологии. – М.: Школа-пресс, 1994.
10. Сапин М.Р., Билич Г.Л. Анатомия человека. – М.: Высшая школа, 1989.
11. Селевко Г.К. Современные образовательные технологии. – М.: Народное образование, 1998.
12. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула. – М.: Наука, 1988.
13. Шерстнев М.П., Комаров О.С. Химия и биология нуклеиновых кислот. – М.: Просвещение, 1990.
14. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987.

Рейтинг@Mail.ru