Актуальность. Почти 70-лет назад, а точнее в 1953 году учеными Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном была расшифрована структура молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.

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.

1. Строение и функции молекулы 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.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

ДНК – это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков – нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы.

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

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.

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.

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).

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

Биологические функции

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.

3. История изучения ДНК

ДНК как химическое вещество 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.

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.

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 результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949-1951 гг. были сформулированы так называемые правила Чаргаффа. Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Соотношение, выявленное для аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), оказалось следующим: количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – цитозину: А=Т, Г=Ц. Эти правила, наряду с данными рентгеноструктурного анализа, сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК.

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.

4. Интересные факты о ДНК

1. ДНК может определять риски заболеваний

Тестирование ДНК для прогнозирования риска заболевания может предотвратить заболевание и спасти жизни.

ДНК-скрининг будет включать в себя большое количество здоровых людей, проходящих тестирование ДНК путем предоставления простого образца крови или слюны для выявления риска определенных состояний.

Тестирование включает типы рака или болезни сердца, которые происходят в семьях – и могут быть предотвращены

2. ДНК всех клеток тела можно растянуть на 16 млрд. км

Если бы ДНК во всех клетках человеческого тела не была свернута, она растянулась бы на 16 миллиардов километров. Для сравнения: зависимости от местоположения на их орбитах, расстояние от Земли до Плутона варьируется от 4 до 7,5 миллиардов километров.

3. ДНК близнецов похожи только в момент зачатия

Это основной принцип человеческой биологии, который преподают в начальных школах повсюду: идентичные близнецы происходят из одного оплодотворенного яйца и, таким образом, имеют идентичные генетические характеристики.

Но давно стало известно, что у идентичных близнецов развиваются различия, возникающие в результате воздействия окружающей среды.

4. Тесты ДНК показывают, что все гепарды почти полностью идентичны

Генетическая изменчивость является ключевым компонентом эволюции. Популяция с низкой генетической изменчивостью является чем-то вроде сидячей утки, уязвимой для всех видов изменений окружающей среды, вопреки которым может сохраняться более изменчивая популяция.

И, к сожалению, именно с такими обстоятельствами сегодня сталкиваются гепарды.

Как вид, гепарды имеют низкий уровень генетической изменчивости. Это, вероятно, можно объяснить небольшим местом населения, в котором они обитали около 10 000 лет назад, едва избежав вымирания в конце последнего ледникового периода.

5. На МКС хранится жесткий диск с человеческими ДНК

«Диск бессмертия» – это большое устройство памяти, которое было доставлено на Международную космическую станцию на космическом корабле «Союз» 12 октября 2008 года.

«Диск бессмертия» содержит полностью оцифрованные последовательности ДНК избранной группы людей, таких как физик Стивен Хокинг, комик и ведущий шоу Стивен Колберт, модель Playboy Джо Гарсия, гейм-дизайнер Ричард Гэрриот, авторы фэнтези Трейси Хикман и Лора Хикман, профессиональный рестлер Мэтт Морган и спортсмен Лэнс Армстронг.

Микрочип также содержит копию «Секретного ключа Джорджа ко Вселенной», детскую книгу, написанную Стивеном Хокингом и его дочерью Люси.

Цель «Бессмертного влечения» – сохранить ДНК человека в капсуле времени на случай, если на Земле произойдет глобальный катаклизм.

6. Период распада ДНК 521 год

В 2013 следователи по делу об убийствах в Бостоне-Стренглере, которые произошли в 1960-х годах, заявили, что ДНК, взятая с одеяла на одном из мест преступления, очень близко совпадает с ДНК члена семьи Альберта ДеСальво, подозреваемого в убийстве.

Таким образом, полученные данные связывают ДеСальво с местом преступления. Официальные лица теперь имеют разрешение эксгумировать останки ДеСальво, который умер в 1973 году, чтобы проверить ДНК его тела и подтвердить совпадение, сообщает New York Times.

В 2012 году исследователи подсчитали, что период полураспада ДНК – точка, в которой половина связей в основной цепи молекулы ДНК будет разорвана, – 521 год. Это означает, что в идеальных условиях ДНК прослужит около 6,8 миллионов лет, после чего все связи будут разорваны.

7. Около 2 гр. ДНК могут вместить всю мировую информацию в цифровом виде

Как все лучшие идеи, этот вопрос родился в пабе. Ник Голдман и Юэн Бирни из Европейского института биоинформатики (EBI) под Кембриджем размышляли о том, что они могут сделать с потоком геномных данных, которые генерирует их исследовательская группа, и все они должны быть заархивированы.

Объем данных растет быстрее, чем емкость жестких дисков, используемых для его хранения. «Это означает, что стоимость хранилища растет, а наши бюджеты – нет», – говорит доктор Голдман.

За несколькими сортами пива пара задумалась, может ли искусственно сконструированная ДНК быть одним из способов хранения потока данных, сгенерированного природным материалом.

Мало того, что 1 грамм ДНК может содержать 455 эксабайт данных (этого достаточно для хранения всего, от Google, Facebook и любой другой крупной технологической компании вместе взятых), она также очень долговечна.

3. Практическая часть: создание модели молекулы ДНК из конструктора

Для создания модели молекулы ДНК был выбран конструктор «Дуко».

Дуко №3

Новый оригинальный конструктор. Обладает тактильными особенностями - приятный на ощупь. Победитель конкурса «Мечтатель» в номинации «Гран-При»

5 различных форм и 4 цвета в наборе (белый, светло-зеленый, желтый, светло-фиолетовый).

Детали соединяются легко, держатся крепко.

С помощью дополнительных элементов собранные модели могут двигать частями.

Материал обладает тактильными особенностями - приятный на ощупь.

Цветовая гамма конструктора контрастная, яркая, привлекает внимание.

Конструктор предоставляет максимум творческих возможностей.

Развивает:

мелкую моторику

логику

пространственное мышление

навык работать по образцу

усидчивость

Комплектация:

детали конструктора - 64 шт.

Для создания модели нам понадобилось 2-е упаковки конструктора. Также, чтобы обозначить нуклеотиды, мы использовали цветную изоленту: красная – аденин, зеленая – тимин, синяя – гуанин, желтая в зеленую полоску – цитозин.

Этапы создания модели:

1 . Приобрели в Интернет-магазине 2-е упаковки конструктора «Дуко»

2. Сделали кольца будущей двойной спирали молекулы ДНК

3. Цветной изолентой обозначили нуклеотиды

4. Соединили все части модели

Заключение

ДНК – она двойная

И строеньем не простая.

Мономер-нуклеотид,

Из трех штучек состоит

За азотным основаньем

Как в строю – вот красота.

Углевод дезоксирибоза,

Фосфорная кислота.

Есть четыре основанья,

Мы запомним их названья:

Цитозин + гуанин,

А тимин + аденин.

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

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».

Список использованных источников

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

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

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

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

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

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

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

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