Конспект уроку для учнів 9 класу на тему: "Генетичний код. Розв’язування задач з молекулярної біології"

Тема: Генетичний код. Розв’язування задач з молекулярної біології.

Мета: навчальна: сформувати знання про генетичний код, особливості його будови, визначити функціональне значення, показати його специфічність.

             розвивальна: розвивати творче мислення, уміння робити поетапні висновки, знаходити причинно-наслідкові зв’язки, розвивати увагу, уяву, пам’ять, комунікативні навички, уміння працювати в групі;

             виховна: виховувати естетичні почуття, дбайливе ставлення до навколишнього середовища.

Тип уроку: комбінований урок

Методи навчання: пояснювально-ілюстративний, евристичний, репродуктивний.

Обладнання: таблиці, визначник амінокислот, відеофрагмент «Сучасні можливості генної інженерії»..

Основні поняття: генетичний код, кодон.

План уроку:

1. Організаційний момент (1-2 хв.);
2. Актуалізація опорних знань (5-7 хв.);
3. Мотивація навчально-пізнавальної діяльності та визначення мети спільно з учнями (5-7 хв.);
4. Вивчення нового матеріалу: (25хв.)

     5.  Вирішення задач з молекулярної біології (15-18 хв.);

5. Закріплення нового матеріалу (1-13 хв.);
6. Оцінювання роботи учнів (2-3 хв.);
7. Диференційоване домашнє завдання (2-3 хв.).

Хід уроку:

1. Організаційний момент;

2. Актуалізація опорних знань:

Евристична бесіда з учнями за запитаннями:

1. Пригадайте будову нуклеотиду ДНК. Чим представлена молекула?
2. Які функції виконують екзонні та ін тронні ділянки молекули ДНК?
3. Які хімічні особливості структури молекули ДНК забезпечують її стабільність у передачі спадкової інформації?
4. Пригадайте будову нуклеотиду РНК. На які види поділяється РНК? У чому їх головні відмінності?
5. На вашу думку, у чому заключається значення м-РНК, якщо генетична інформація зберігається на ДНК?
6. Пригадайте, щ о таке оперон?
7. Який зміст центральної догми молекулярної біології, як ви її розумієте?

Таким чином, ми можемо зробити висновок, щоб синтезувався новий білок, потрібно дві макромолекули – ДНК та РНК. Звідси, спадкова інформація передається в такому напрямку:

3. Мотивація навчально-пізнавальної діяльності та визначення мети спільно з учнями:

Відеофрагмент «Сучасні можливості генної інженерії».

Генетичний код можна назвати кодом життя, його розшифрування поглибило розуміння життєвих процесів і стало найважливішою подією в біології ХХ століття. Значення таблиці генетичного коду для біології можна порівняти із значенням періодичної системи елементів для хімії.

Тема сьогоднішнього уроку: «Генетичний код. Розв’язування задач з молекулярної біології». Давайте разом сформулюємо мету уроку.

4. Вивчення нового матеріалу: (10хв.)

Розповідь вчителя з елементами бесіди.

У 50-х роках після всебічного обговорення Д. Уотсоном та Д. Кріком моделі ДНК була сформульована в загальних рисах проблема генетичного коду, яка стала на той час найактуальнішою в біології. Суть проблеми: розшифрування системи запису генетичної інформації в нуклеїнових кислотах і одержання відповіді на запитання – яким чином лінійна послідовність азотистих основ визначає амінокислотну послідовність білків.

Інформація про синтез білків записаних в ДНК за допомогою: А, Г, Т, Ц. можна було припустити, що вони зчитувалися по одному (одна основа одна амінокислота) по дві тощо. Американський фізик Г. Гамов (1954 р.) шляхом теоретичних розрахунків дійшов висновків, що місце певної амінокислоти в білковій молекулі визначається поєднанням із трьох азотистих основ. Із 4 інформаційних елементів А, Г, Т, Ц. можна одержати 64 (4²) комбінації по три, що цілком достатньо для кодування 20 амінокислот. Як ви вважаєте, чи міг би бути генетичний код дуплетом? Чому?  Передбачення Г. Гамова про триплетність генетичного коду було експериментально підтверджено Ф. Кріком у 1961 році. Вирішальне значення для розв’язання проблеми генетичного коду мало створення білок синтезуючих систем та одержання синтетичних і-РНК.

М. Ніренберг та Дж. Маттеі зробили важливий внесок у розв’язання проблеми генетичного коду. Вони вперше ввели в білок синтезуючу систему синтетичну матрицю, тобто штучно створену і-РНК, визначили, який білок при цьому утворюється. Виходячи з триплетності генетичного коду, цей результат означав, що кодон (функціональна одиниця генетичного коду, що складається з 3 послідовно розміщених азотистих основ нуклеотидів) УУУ програмує включення в білок фенілаланіну, кодон   ААА – лізину, кодон ЦЦЦ – проліну. Так були розшифровані перші слова генетичного коду.

Х. Корана синтезував штучні і-РНК із заданою послідовністю й вивчив реакцію білок синтезуючих систем на їх введення. Так, співполімер УЦУЦУЦУЦ забезпечував синтез поліпептиду серин – лейцин – серин – лейцин – серин – лейцин, тобто кодон УЦУ програмував включення в поліпептид серину, а кодон ЦУЦ – лейцину.

М. Ніренберг і Ф. Ледер синтезували прості тринуклеотиди із заданою послідовністю і з’ясували, що при їх додаванні рибосоми зв’язують тільки ту т–РНК, антикодон якої комплементарний даному нуклеотиду. За визначний внесок у розшифровку генетичного коду М. Ніренберг та Х. Корана були удостоєні Нобелівської премії 1968 року.

З’єднавши різноманітні підходи, у 1966 році вдалося визначити кодони (триплети) для кожної з 20 амінокислот.

(Демонстрування таблиці з поясненням: «Відповідність кодонів генетичного коду амінокислотам білка»)

Отже, з вище окресленого, спробуйте дати визначення генетичного коду. Так, генетичний код – це залежність між основами та амінокислотами.

Генетичний код має такі особливості:

1. Триплетність. Триплетом (кодоном) називають три нуклеотиди і-РНК, які визначають включення певної амінокислоти в поліпептидний ланцюг.

2. Виродженість генетичного коду: одній амінокислоті відповідає, як правило, більше ніж один кодон. Так, аргінін, серин і лейцин мають по шість кодонів; валін, пролін, треонін, аланін, гліцин – по чотири кодони.

3. Неперекриваємість. Інформація зчитується в одному напрямі підряд, кодон за кодоном, таким чином, що кожна з основ входить до складу тільки одного триплету. Якби генетичний код перекривався, послідовність АВСАВСАВС могла б містити такі кодони АВС, ВСА, САВ, АВС, ВСА, САВ. У такому разі заміна однієї основи призводила б до заміни тільки однієї амінокислоти, що свідчить про не перекривання одного генетичного коду.

4. У генетичному коді є триплети, які визначають початок і завершення синтезу поліпептидного ланцюга (АУГ – стартовий кодон, який обумовлює зв’язування рибосомами метионінової – т-РНК: УАГ, УАА, і УГА – термінуючи кодони, які є сигналами припинення білкового синтезу)

5. Універсальність: генетичний код єдиний для всіх живих істот нашої планети. У всіх бактеріальних і еукаріотичних геномах використовуються одні і ті самі набори кодових значень. Так, триплет УУУ зумовлює включення фенілаланіну до складу білків кишкової палички, пшениці і людини. Подумайте про що це свідчить.

Сьогодні ми звідусіль чуємо про генетично-модифіковані продукти. «Грінпіс» та інші «зелені» запевняють нас, що генетично-модифікована їжа змінює наш генетичний код, але перетворюємось ми зовсім не в геніального да Вінчі, а в недоумків. Газети сповіщають нам, що «продукти-мутанти» вбивають дітей. Дослідники вважають, що генетично-модифікована їжа призводить до розвитку онкологічних захворювань.

Що все це означає і чи дійсно останні досягнення генетики привели до створення «їжі Франкенштейна»?

Пригадайте, яка наука займається виведенням сортів рослин та порід тварин з метою підвищення їх якісних та кількісних показників? Так, це селекція.

У 20-х роках з’явилась наукова основа – генетика. З’ясувалось, що будь-яка властивість організму визначається частинкою спадкової молекули ДНК. Подумайте, як називається цей фрагмент? Молодці, це ген.

Природнім шляхом виникла ідея, що якщо гени одного організму вставити в ДНК іншого , можна швидко прищепити йому потрібні властивості, так, як Мічурін прищеплював китайку до антоновки. Таким чином, виникли трансгенні, або генетично-модифіковані, рослини й тварини.

Наприклад, якщо раніше для виведення нового сорту урожайного аґрусу, селекціонеру необхідно було відібрати рослини з найкрупнішими плодами, висадити їх, через рік знову відібрати найбільш урожайні, потім ще рік і ще – і тільки років через 20 років він отримає ківі (а це, як ми знаємо, і є селекціонно-покращений амурський аґрус). На сьогоднішній день спеціаліст вставляє в ДНК аґрусу ген урожайності з якої-небудь іншої рослини і через рік отримує необхідний йому сорт.

Але нині не існує єдиної думки щодо генетично-модифікованих продуктів. Наприклад, одні вважають, що генетично-модифіковані продукти нічим не загрожують здоров’ю людини. Навпаки, традиційним засобом боротьби з тим же колорадським жуком та іншими комахами-шкідниками є обробіток полів інсектицидами. Ці отруйні хімічні речовини дійсно відмінно справляються зі шкідниками, але, на жаль, накопичуються в самих рослинах. Тому біотехнологічне виведення сортів картоплі, неїстівної для колорадського жука, і нічим не шкідливої для людини є великим досягненням науки.

Проте, деякі вчені вважають, що ділянки чужорідної ДНК, які можуть легко вбудовуватися  в ДНК інших рослин та тварин, з такою самою легкістю можуть вбудовуватись і в ДНК людини, змінювати її генетичний код, робити її організм «байдужим» до дії антибіотиків, що в результаті призводить до недієздатності вакцини проти різних хвороб. Великою проблемою є те, що вчені-фармацевти не встигають за вченими-генетиками. А тому на сьогоднішній день людство має «чорний» список невиліковних хвороб. Це питання залишається відкритим.

Як же практично реалізується генетичний код, ми побачимо шляхом рішення задач. Для цього нам треба знати наступні показники: відстань між нуклеотидами = 0,34 нм; маса одного нуклеотида=345, маса однієї амінокислоти=100. Давайте пригадаємо правило Чаргафа, яке дозволяє визначити співвідношення нуклеотидів у ДНК у відсотках. Він визначив, що в молекулі ДНК:

А+Г=Т+Ц, звідси коефіцієнт співвідношення = .

Цей коефіцієнт співвідношення нуклеотидів різний у різних організмів.

4. Вирішення задач з молекулярної біології;

Задача №1

Дано послідовність ДНК з 12 нуклеотидів: ААА-АГЦ-ГГГ-ТТТ. Знайти склад амінокислот, масу білка, довжину ДНК та масу гену?

m білка =  кількість триплетів * масу однієї амінокислоти = 4 *100 = 400

4. Знаходимо масу гену: ФЕН-СЕР-ПРО-ЛІЗ,

m гену = N _(нукл) *2* m_r = 12*2*345 = 8280

Відповідь: склад амінокислот ФЕН-СЕР-ПРО-ЛІЗ; маса білка = 400; довжина ДНК = 4,08 нм.; маса гену = 8280

Задача №2

У фрагменті ДНК 1120 аденілових нуклеотидів, що становить 28% від усієї кількості. Скільки в даному фрагменті гуанілових, цитидилових, тимідилвих нуклеотидів?

1120 (А) – 28%

х (Г) – 22%, звідси  

Відповідь: у даному фрагменті гуанілових, цитидилових нуклеотидів по 880, тимідилових 1120.

Задача №3.

Оперон складається з 10800 нуклеотидів. У ньому закодовано три поліпептидні ланцюги по 360 амінокислотних залишків. На інтронні ділянки структурних генів припадає 3600 нукоеотидів. Визначити лінійні розміри гена-оператора. 

10800-10080=720

5. Знаходимо довжину гена-оператора:

  L_{гену-оператору}=

Відповідь: лінійні розміри гена-оператора = 122,4 нм.

5. Закріплення нового матеріалу:

Таким чином, ми визначили, що генетичний код працює на основі того, що молекула ДНК – це міцна структура (бо має 3' - 5' – фосфодиефірні та водневі зв’язки), яка точно передає інформацію. У кожного виду здатність передачі ДНК у процентному співвідношенні різні. Коефіцієнт Чаргафа, таким чином, для кожного виду є специфічним. Процеси, які забезпечують передачу інформацію генетичної інформації  - транскрипція та трансляція. Генетичний код має такі властивості: лінійність, не перекриваємість, специфічність і універсальність.

6.                    Оцінювання роботи учнів;
7.                    Диференційоване домашнє завдання:

1. Відомо, що у вірусів ємкість генетичного коду (кількість амінокислот) на багато менше ніж необхідно для побудові білкового капсиду. Яким чином можлива побудова вірусу.

2. У прокаріот змістовна частина = 90 %, у еукаріот = 3 – 5 частин. Який із цих геномів можна назвати найбільш прогресивним?