Цель — сформировать понятие о коде наследственности, его триплетности, вырожденности, однозначности и универсальности, развить понятие о гене (цистроне), возможностях его мутирования и закрепить знания учащихся о молекулах ДНК как материальных основах наследственности.
В начале занятия целесообразно в процессе беседы восстановить знания учащихся о химическом составе клетки, вспомнить о белках и нуклеиновых кислотах, их большой молекулярной массе, полимерной природе, мономерных звеньях. Учащиеся знают, что белки состоят из аминокислот, которых известно 20 видов, а нуклеиновые кислоты состоят из 4 различных нуклеотидов. Они знают также, что белки выполняют в организме важнейшие функции и протекающие в клетке процессы зависят от строения белков, прежде всего от первичной структуры.
Возникает проблема: каким образом в клетке синтезируются сложные молекулы белков, устанавливается строгая последовательность аминокислотных остатков?
Обучающиеся высказывают предположение о существовании в клетке согласованных и взаимосвязанных процессов. Им известен код наследственности и механизм синтеза белка из курса биологии. Однако этот материал очень сложный, он изучается без достаточной опоры на знания обучающимися органической химии, поэтому целесообразно несколько углубить и закрепить знания учащихся.
На предыдущих занятиях учащиеся знакомились с опытами, убедившими их в том, что гены регулируют синтез белка, что главная роль в контролировании синтеза белка принадлежит нуклеиновым кислотам. Следовательно, на данном занятии учащиеся приходят к выводу, что в ядре клетки, в хромосомах и именно в молекулах ДНК заключен механизм, управляющий синтезом белка.
Ставится новая проблема: каким образом в молекулах ДНК записана (заключена) информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи?
Педагог раскрывает содержание понятия «кодирование» как изображение одних объектов при помощи других. Учащимся известно, что с помощью азбуки Морзе кодируется текст, они допускают возможность кодирования с помощью молекул ДНК информации о последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка. Так как именно белки определяют основные свойства клетки, организма, то запись информации о последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка называют наследственным кодированием или кодом наследственности. Предстоит выяснить: каким образом осуществляется кодирование? Как с помощью 4 видов нуклеотидов записать информацию о 20 видах аминокислот. Учащиеся вспоминают, что в азбуке Морзе всего два знака — точка и тире, а с их помощью кодируются все буквы алфавита, только при этом используются различные комбинации из нескольких точек и тире.
Напрашивается аналогия: по-видимому, комбинация из нескольких нуклеотидов кодирует одну аминокислоту. Если допустить комбинацию из 2 нуклеотидов, то можно закодировать только 16 аминокислот (42), а их 20. Значит, должна быть комбинация не менее чем из 3 нуклеотидов, что обеспечивает образование 64 комбинаций (43) троек нуклеотидов (триплетов). Вводится понятие о кодовом числе — числе нуклеотидов, обеспечивающем запись информации об одной аминокислоте.
Педагог сообщает, что ученые экспериментально доказали триплетность кода и установили код для всех 20 аминокислот. Оказалось, что большинство аминокислот кодируется тремя-четырьмя триплетами, некоторые (аргинин, лейцин и серии) — шестью, а две аминокислоты (метионин и триптофан) — всего одним.
Из таблицы видно, что хотя одна аминокислота, как правило, записывается несколькими триплетами, однако между триплетами, если их не больше 4, учащиеся находят сходство — триплеты имеют одинаковые два первых нуклеотида и различаются третьим. Так, для аминокислоты фенилаланина характерны триплеты УУУ и УУЦ, для серина - УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, а также АГУ и АГЦ. Имеются три триплета: УАА, УАГ и УГА, которые не кодируют аминокислоты, эти триплеты называют бессмысленными.
Следует подчеркнуть, что код выражен в нуклеотидах РНК.
Все организмы от одноклеточных до человека имеют один и тот же код, значит, код универсален.
Затем учащиеся вспоминают, что такое ген.
Они рассказывают, что ген — это материальная частица хромосомы, которая контролирует синтез ферментов и других белков, что это единица функции.
В то же время ген нельзя рассматривать в качестве единицы кроссинговера и мутации. К этим сведениям о гене педагог добавляет новую информацию — ген рассматривается как носитель кода наследственности. Исходя из этого положения дается определение гена.
Ген — участок молекулы ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепочке белка. Подобные гены, кодирующие последовательность аминокислот в полипептидной цепочке, называют цистронами.
Далее целесообразно выяснить мнение учащихся о возможности изменения генов.
Учащиеся, как правило, считают возможным изменение последовательности нуклеотидов в пределах того или иного гена. Важно уточнить понятие «мутация», которая теперь рассматривается как изменение гена, а точнее, изменение последовательности нуклеотидов в гене. Рассматриваются различные варианты изменений: выпадение, вставка или замена нуклеотидов. Ясно, что подобное изменение вызывает изменение последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, что в свою очередь отражается на свойствах и функциях белка.
В качестве примера можно рассмотреть наследственное заболевание серповидноклеточную анемию. В данном случае в одной из цепочек гемоглобина в шестом положении заменяется одна аминокислота (глютаминовая кислота) на другую (валин), что приводит к резкому изменению электрических свойств гемоглобина, в результате чего молекулы гемоглобина в эритроците слипаются, образуя глыбку в виде серпа (отсюда название серповидноклеточной анемии). В связи с таким изменением резко ухудшается способность гемоглобина транспортировать кислород к клеткам тела.
Далее целесообразно рассмотреть общие случаи генных мутаций. Если, например, в начале гена выпадает один нуклеотид, то полностью искажается вся его информация и образуется совершенно новый белок, неспособный выполнять нужную функцию. Такая мутация может оказаться смертельной для организма. Если, например, в начале гена выпадет три нуклеотида, то белок лишается одной аминокислоты, находящейся в начале полипептидной цепочки, остальные аминокислоты стоят в нужной последовательности. Насколько вредна такая мутация для организма, зависит от того, какую роль в функционировании белка выполняет утраченная в результате мутации аминокислота.
Вопросы для проверки усвоения материала:
- Что такое код наследственности и какова его химическая природа? Что такое кодовое число?
- В чем выражается однозначность и универсальность кода?
- Почему код триплетен?
- Используйте таблицу кода наследственности и составьте для отрезка полипептидной цепочки: -фен-асп--цис-арг-фен-лей-про-вал-цис-.
- Какова химическая природа генных мутаций?
- Какие мутации возможны? Как могут влиять генные мутации на функции белка?