Знакомьтесь: днк!



Дата18.08.2018
өлшемі277.63 Kb.
түріРеферат
Муниципальное казенное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2 г. Дмитриева»

Дмитриевского района Курской области
Знакомьтесь: ДНК!

c:\users\алексей\desktop\молекула днк-3.jpg

Выполнила Иваныкина Валентина Михайловна

ученица 10 класса

МКОУ «Средняя общеобразовательная

школа №2 г. Дмитриева»
Руководитель проекта Емельянова Ирина Васильевна

учитель биологии и химии

МКОУ «Средняя общеобразовательная

школа №2 г. Дмитриева»


Дмитриев, 2015

Содержание

1.Введение……………………………………….…….………………..………………………2 2.Основная часть

2.1. Исторический экскурс…………………………………………………………………….3

2.2. Строение нуклеотидов…………………………………………………………………… 3

2.3. Образование нуклеотида………………………………………………………………….5

2.4. Образование динуклеотидов и полинуклеотидов………………………………………5

2.5. Структура ДНК…………………………………………………………………………….6

2.6. Строение молекулы ДНК…………………………………………………………………7

2.7. Функции ДНК…………………………………………………………………………… 9

2.8. О перспективах изучения ДНК………………………………………………………….12

3. Практическая часть………………………………………………………………………….13

3.1.Исследовательская работа «Выделение ДНК»…………………………………………..13

4.Заключение…………………………………………………………………………………...14

5.Список используемой литературы и электронные ресурсы……………………………...15

6.Приложение



1.Введение.

Слайды 1-7

Величайшее открытие 20-го века – гармоничная, уникальная, бесконечно красивая и одновременно простая – пространственная структура молекулы ДНК. Используя метод моделирования и развитое абстрактное мышление, биохимик Джеймс Уотсон и физик Френсис Крик стали героями этого замечательного события. Двойная спираль звонко, убедительно и с достоинством заговорила о себе. Она явилась единственной молекулой, стоящей на грани живой и неживой материи, открытой одновременно в прошлое и будущее, связывающей воедино многие поколения живых организмов на нашей планете.

В современном информационном пространстве изображение двойной спирали ДНК можно узнать сразу. Полиграфическая продукция, ТВ, интернет, школьный кабинет биологии. Но гораздо больший интерес вызывает возможность практического получения легендарной молекулы, да еще и своей собственной. Именно эта возможность явилась определяющей при выборе нами темы исследования.



Цель исследования: провести анализ существующих источников информации, разработать оптимальный алгоритм практической работы по выделению ДНК из клеток организма человека.

Объект исследования: клетки человеческого организма.

Предмет исследования: вещество «жизни» - ДНК.

Гипотеза: нуклеиновая кислота – ДНК – одна из самых знаменитых и значимых в современном мире. Возможно ли изучение этой молекулы в курсе химии и биологии средней школы не только теоретически, но и практически?

Задачи:

• изучить и проанализировать различные источники информации;

• выдвинуть гипотезу о возможности получения в условиях школьной лаборатории молекулы ДНК;

• определить и разработать условия для исследования генетического материала человека;

• составить алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека.

Методы исследования:

• теоретические (изучение, анализ, обобщение и систематизация различных источников информации – литературных, интернет-ресурсов);

• эмпирические (исследовательский эксперимент, измерение, наблюдение, описание,

2.Основная часть

2.1.Исторический экскурс.

• В 1869 году Фридрих Мишер открыл нуклеиновые кислоты. Объект исследования – свежий гной, который собирался с повязок и бинтов, снятых с заживающих после операции ран. Ф. Мишер обрабатывал лейкоциты ферментом пепсином. Клетки разваливались, но их ядра оставались невредимы. Мишер выделил неизвестное, содержащееся в ядрах вещество белковой природы (с большим содержанием фосфора и азота) и назвал его нуклеином.

Слайд 8.

• В 1856-1866гг. Грегор Мендель скрещивал различные сорта гороха и анализировал полученные результаты. Объект исследования – 20 тыс. горошин. Г.Мендель фактически ввел понятие «гены», хотя называл их факторами.

Слайд 9.

• В 1909г. Вильгельм Людвиг Иогансен использовал термин «ген» в своей книге «Элементы точного учения об изменчивости и наследственности.

Слайд 10.

• Томас Хант Морган «видит ген». Объект исследования – мушка дрозофила (Drosophila melanogaster – любительница росы с черным брюшком»). Причина выбора объекта – недостаток средств на исследования и большая плодовитость мушек (за год – 30-35 поколений, несколько сотен тысяч особей). Исследуя под микроскопом ядра клеток дрозофилы Морган установил зависимость между внешним обликом мушки (форма, размер, загнутость крыльев, цвет глаз и т.д.) и структурой, формой, составом хромосом. Он делает вывод о том, что гены должны локализоваться именно в хромосомах.

Слайд 11.

• В 1944г. Вместе с коллегами Оствальд Теодор Эвери раскрыл химическую природу вещества, ответственного за наследственные изменения. Объект исследования – пневмококки. Исследователи вводили в культуру пневмококков ДНК, выделенную из микробов того же вида, но другой расы, которая вызывает появление признаков, не свойственных ранее исследованной культуре.

Слайд 12.

• Ориентировочно в 1939 г. Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский предлагает химикам и физикам ответить на вопрос «Что есть ген и какова его структура?», поскольку только в рамках биологии такие исследования невозможны.

• В 1944г. Выходит книга основателя квантовой механики Эрвина Шредингера (основателя квантовой механики) «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», в которой предполагается, что «генные молекулы» представляют собой совокупность нескольких повторяющихся элементов, как и в азбуке Морзе, что и составляет код наследственности. С этого времени исследованием гена занялись физики. Метод исследования – рентгеноструктурный анализ. Благодаря этим разработкам генетика выходит на уровень исследования молекулы ДНК. После Второй мировой войны появляется новое направление науки – молекулярная генетика.

Слайд 13.

• В 1951г. Лайнус Карл Полинг «разгадал» строение белков, основой которых оказалась α-спираль. Фундамент исследования – законы структурной химии (явление комплементарности). Методология исследования – поиск ответа на вопрос: какие атомы рядом с какими находятся? Данное исследование и положенный в его основу принцип комплементарности стали фундаментом работ Крика и Уотсона.

Слайд 14.

• Физик Морис Уилкинс получил рентгенограммы ДНК.

Слайд 15.

Методология исследования – ответ на вопрос: каким образом природа соединила в цепочки четыре азотистых основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин)? Средство исследования – шаростержневые модели, которые в течение двух лет собирали и разбирали Уотсон и Крик, сопоставляя с данными рентгенограмм.

Слайд 16.



2.2.Строение нуклеотидов.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Из нуклеотидов строятся чрезвычайно длинные молекулы – полинуклеотиды. Чтобы понять структуру полинуклеотидов, необходимо, следовательно, сначала ознакомиться с тем, как построены нуклеотиды.

Молекула нуклеотида состоит из трех частей - пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.

САХАР. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот-рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу. В дезоксирибозе - ОН-группа при 2-м атоме углерода заменена на атом Н, т.е. в ней на один атом кислорода меньше, чем в рибозе.

c:\users\алексей\новая папка\1.jpg

Слайд 17. Компоненты нуклеотидов

ОСНОВАНИЯ. В обоих типах нуклеиновых кислот содержаться основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два-к классу пиримидинов. Основной характер этим соединениям придает включенный в кольцо азот. К числу пуринов относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к числу пиримидинов - цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РНК). Тимин химически очень близок к урацилу (он представляет собой 5-метилурацил, т.е. урацил , в котором у 5 - го углеродного атома стоит метильная группа). В молекуле пуринов имеется два кольца, а в молекуле пиримидинов – одно.

Основания принято обозначать первой буквой их названия: А, Г, Т, У и Ц.



ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекуле содержится фосфорная кислота.

На слайде показано, как сахар, основание и фосфорная кислота, объединяясь, образуют молекулу нуклеотида.



c:\users\алексей\новая папка\2.2.jpg

Слайд 18.Образование нуклеотида.

Соединения сахара с основанием происходит с выделением молекулы воды, т.е. представляет собой реакцию конденсации. Для образования нуклеотида требуется еще одна реакция конденсации – между сахаром и фосфорной кислотой.

Разные нуклеотиды отличаются друг от друга природой сахаров и оснований, которые входят в их состав.

Роль нуклеотидов в организме не ограничивается тем, что они служат строительными блоками нуклеиновых кислот; некоторые важные коферменты также представляют собой нуклеотиды. Таковы, например, аденозинтрифосфат ( АТФ), циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), коферментА, никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) и др.[5]



2.3.Образование динуклеотидов и полинуклеотидов

Два нуклеотида, соединяясь образуют динуклеотид в результате реакции между фосфатной группой одного нуклеотида и сахаром другого, как показано на слайде.



c:\users\алексей\новая папка\2.1.jpg
Слайд 19. Строение динуклеотида

При синтезе полинуклеотидов этот процесс повторяется несколько миллионов раз. Таким путем строится неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида.[5]



c:\users\алексей\новая папка\3.1.jpg

Слайд 20. Образование полинуклеотида.

2.4.Структура ДНК

Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале ХХ века возникло предположение, что ДНК, возможно, представляет собой генетический материал.

В начале 50-х годов американский химик лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг, уже изучивший к тому времени α-спиральную структуру, характерную для многих фибриллярных белков, обратился к исследованию структуры ДНК, которая, по имеющимся в то время сведениям, также представлялась фибриллярной молекулой. Одновременно в Королевском колледже в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинда Франклин пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа.

Слайд 22.

Их исследования требовали долгой и трудоемкой работы по приготовлению чистых препаратов солей ДНК, для которых удавалось получить сложные дифракционные картины.

c:\users\алексей\новая папка\3.2.jpg

Слайд 21. Рентгенограмма нити ДНК. По таким рентгенограммам было впервые сделано заключение о двухспиральной структуре ДНК.

С помощью этих картин можно было, однако, выявить лишь общую структуру молекулы ДНК, не столь детализированную, как та, которую давали возможность получить чистые кристаллы белка.

Тем временем Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета избрали иной подход, который в конечном счете и обеспечил успешное решение проблемы.

Слайд.


Используя все физические и химические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Крик стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру, согласующуюся со всеми этими данными. История их поисков увлекательно описана Уотсоном в его книге «Двойная спираль».

Два обстоятельства оказались для Уотсона и Крика решающими. Во-первых, они имели возможность регулярно знакомиться с результатами работ Уилкинса и, сопоставляя с его рентгенограммами свои модели, могли таким образом проверять эти модели. Рентгенограммы же Уилкинса убедительно свидетельствовали в пользу спиральной структуры с периодичностью 0,34нм вдоль оси. Во-вторых, Уотсон и Крик отдавали себе отчет в важном значении закономерностей, касающихся соотношения различных оснований в ДНК. Обнаружил эти закономерности и сообщил о них в 1951 году Эрвин Чаргафф.

Слайд 23.

Это открытие, однако, при всей своей важности не привлекло к себе должного внимания. На слайде мы видим некоторые данные Чаргаффа, дополненные результатами более поздних исследований.



Организм

Нуклеотидный состав, мол.%

Аденин

Гуанин

Тимин

Цитозин

Человек

30,9

19,9

29,4

19,8

Овца

29,3

21,4

28,3

21,0

Курица

28,8

20,5

29,2

21,5

Черепаха

29,7

22,0

27,9

21,3

Лосось

29,7

20,8

29,1

20,4

Морской еж

32,8

17,7

32,1

17,3

Саранча

29,3

20,5

29,3

20,7

Пшеница

27,3

22,7

27,1

22,8

Дрожжи

31,3

18,7

32,9

17,1

Eschrichia coli

(бактерия)



24,7

26,0

23,6

25,7

фХ174 (вирус)

24,6

24,1

32,7

18,5


Слайд 24. Таблица, иллюстрирующая относительные количества оснований в ДНК разных организмов.

Уотсон и Крик задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания удерживаются вместе водородными связями.

Слайд 25.

Как основания соединяются в пары с помощью водородных связей, показано на слайде.



c:\users\алексей\новая папка\6.jpg

Слайд 26. Спаривание оснований – аденина с тимином и гуанина с цитозином.

Аденин соединяется с тимином, а гуанин с цитозином. АТ-пара соединяется двумя водородными связями, а ГЦ-пара - тремя. Уотсон попытался представить себе такой парядок спаривания оснований и позже вспоминал об этом так: «От радости я почувствовал себя на седьмом небе, ибо тут я уловил возможный ответ на мучившую меня загадку: почему число остатков пуринов в точности равно числу остатков пиримидинов?» Уотсон увидел, что при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу и что общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы, т.к. обе пары содержат по три кольца.[5]

Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. После того, как все эти обстоятельства выяснились, можно было наконец приступить к созданию достоверной модели ДНК, той которая изображена на слайде.

2.5.Строение молекулы ДНК

Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе спирали свиты вместе, т.е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль.


c:\users\алексей\новая папка\4.1.jpg

Слайд 27. Схематическое строение структуры ДНК. На один полный оборот спирали приходится 10 пар оснований (расстояние между соседними парами оснований равно 0,34н

Цепи антипараллельны, т.е. направлены в противоположные стороны. Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями.



c:\users\алексей\новая папка\4.2.jpg

Слайд 28. ДНК (схематическое изображение развернутых цепей).

Сахарофосфатные остовы двух цепей двойной спирали хорошо видны на пространственной модели ДНК.



c:\users\алексей\новая папка\5.1.jpg

Слайд 29. Пространственная модель ДНК. Стрелки указывают направление антипараллельных сахарофосфатных остатков двух полинуклеотидных цепей.

Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, т.е. одним пурином и одним пиримидином. Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина – слишком мало для того, чтобы заполнить промежутки между двумя цепями.

Слайд 30.

Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т.е. на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нуклеотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.

Уотсон и Крик опубликовали сообщение о своей модели ДНК в журнале «Nature» в 1953 г., а в 1962 г. Они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии.

Слайд 31.

В том же году получили Нобелевскую премию Кендрью и Перуц за свои работы по определению трехмерной структуры белков, также выполненные методом рентгеноструктурного анализа. Розалинду Франклин, умершую от рака раньше присуждения этих премий, не включили в число лауреатов, поскольку Нобелевская премия посмертно не присуждается.

Для того чтобы признать предложенную структуру генетическим материалом, требовалось показать, что она способна нести в себе закодированную информацию и точно воспроизводиться. Уотсон и Крик отдавали себе отчет в том, что их модель удовлетворяет их требованиям. В конце своей статьи они сдержанно отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое спаривание оснований сразу же позволяет постулировать и возможный механизм копирования для генетического материала». Во второй статье, опубликованной в том же 1953 году, они обсудили выводы, которые следовали из их модели, в генетическом плане.

Это открытие, показавшее, сколь явно структура может быть связана с функцией уже на молекулярном уровне, дало мощный толчок развитию молекулярной биологии.[5]



2.6.Функции ДНК

ДНК – основа хромосомного генетического материала. Она участвует в синтезе как ДНК, так и РНК, несет информацию о структуре белков.

Каким образом протекает синтез ДНК? Этот процесс называют репликацией и упрощенно он представлен на слайде.
h:\буклет эрудит\новая папка\1.jpg
Слайд 32. Начало репликации ДНК.

Перед удвоением водородные связи разрываются и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая из цепей служит матрицей для образования комплементарной цепи. После репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая синтезирована заново.

Распад цепей нуклеиновых кислот – экзотермическая реакция, поэтому самопроизвольно строиться цепи ДНК не могут. Для синтеза нуклеиновых кислот природа использует не обычные нуклеотиды, а нуклеотидфосфаты. При образовании ковалентной связи между нуклеотидтрифосфатами два фосфата отщепляются (практически отщепляется остаток пирофосфорной кислоты – пирофосфат), а третий фосфат замыкает связь на третьем атоме рибозы. Отщепившийся пирофосфат далее расщепляется на два ортофосфата, при этом выделяется значительное количество энергии. Синтез ДНК из нуклеотидов – процесс слабо эндотермический, а расщепление цепочки из нескольких фосфатов – сильно экзотермический. Таким образом, результирующий процесс экзотермический.

Репликация начинается одновременно в нескольких местах молекулы ДНК. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. Он – единица репликации.

Слайд 33.

В каждом репликоне можно увидеть репликативную вилку – ту часть молекулы ДНК которая под действием специальных ферментов уже расплелась. Фермент, осуществляющий репродуцирование новой молекулы ДНК при делении клетки, ДНК-полимераза – был открыт Артуром Корнбергом. Каждая нить в вилке служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. В ходе репликации вилка перемещается вдоль материнской молекулы, при этом расплетаются новые участки ДНК. Так как ДНК-полимеразы могут двигаться только в одном направлении вдоль матричных нитей, а нити ориентированы антипараллельно, то в каждой вилке синтез ДНК идет непрерывно, а на другой – в виде коротких фрагментов.[2]



h:\буклет эрудит\новая папка\2.jpg

Слайд 33. Репликон и репликативная вилка.

Когда вилка перемещается, синтезированные фрагменты, комплементарные одной цепи, сшиваются друг с другом ферментом лигазой, образуя растущие дочерние цепи.

Такой механизм синтеза новых цепей ДНК фрагментами называется прерывистым.
h:\буклет эрудит\новая папка\3.jpg
Слайд 34. Прерывистый механизм синтеза новых цепей ДНК.

В процессе репликации случаются сбои, результатами которых становится иная последовательность составных частей. Вероятность формирования иной последовательности учащается при сильном ультрафиолетовом, рентгеновском и других излучениях, а также иных внешних воздействиях, которые могут привести к мутациям.

Генные мутации – нарушение последовательности нуклеотидов в ДНК. Мутации возникают при репликации, когда одна из цепей не соединена комплементарной нитью.
h:\буклет эрудит\новая папка\4.jpg
Слайд 35. Область возникновения генных мутаций

Репликация ДНК протекает с очень большой скоростью. Этот процесс протекает постоянно. Наличие двух цепей ДНК благоразумно задумано природой, так как редко затрагивают сразу две спирали. «Ремонтные работы», связанные с исправлениями сбоев, проводят особые белки-ферменты рестриктазы и лигазы. Рестриктазы «разрезают» участки ДНК с неверной последовательностью составных частей, а лигазы сшивают части ДНК, восстанавливая ее целостность.[2]



Репликация ДНК и старение человека

Упорные алхимики в течение почти 12 веков пытались найти философский камень для превращения металлов в серебро и золото, элексир долголетия и универсальный растворитель. Чтобы найти элексир долголетия, необходимо, по крайней мере, знать причины старения. В геноме человека содержится и информация о продолжительности жизни клетки. Старение и смерть ученые связывают со старением клеток. Широко известна в этом отношении теория Леонарда Хайфлика, который показал, что жизнь клеток, а следовательно и живого существа, из них состоящего, имеет предел. Клетки организма способны делиться ограниченное количество раз. В настоящее время существует около 300 теорий старения клеток, связанных с репликацией ДНК, основные направления из них следующие:

• накопление в клетках «неправильных» белков;

• «стирание» ДНК по мере многократного копирования информации, подобно картриджу ксерокса;

• укорочение ДНК с каждым делением клетки (А.М. Оловников, 1971).

Все теории можно рассматривать как гипотезы, которые необходимо тщательно проверять, и очевидно, что элексир долголетия если будет создан, то, увы, нескоро.[2]


2.7.О перспективах изучения ДНК.

Интерес к строению ДНК, возникший в последнее время, вполне оправдан. Многие учёные во всём мире уделяют этой тематике огромное внимание.

Так, к примеру, академик Академии медико-технических наук, член Нью-Йоркской Академии наук, биогенетик П. П. Гаряев экспериментально подтвердил возможность перепрограммирования ДНК и создания биокомпьютера на генетических структурах.

Член Ассоциации Исследования Сознания и Института Изучения Человеческого Будущего, доктор философии и психологии Р. А. Уилсон также утверждал, что будущее эволюции человека в его метапрограммирующем (кибернетическом) сознании.

Группа учёных Калифорнийского института технологий во главе с инженером по биомолекулярным разработкам Найлзом Пирсом сумела создать систему, производящую ДНК и позволяющую учёным определять часть ДНК искомой формы с тем, чтобы затем, запустив молекулярную программу, собрать в пробирке целую молекулу.

Сенсационные открытия русских и американских учёных дали понять, что болезни можно лечить информационно, стирая с генов и клеток «неправильную» информацию.

По мнению Рэя Курцвела, специалиста по разработке инновационных технологий, которого газета «Wall Street Journal» назвала «неутомимым гением» - полная расшифровка человеческого генома сделает возможным «выключать» развитие болезней и поворачивать старение вспять.

Изучение генетики человека, несмотря на всю сложность, важно не только с точки зрения науки. Трудно переоценить и прикладное значение проводимых исследований. 


Достижения в этой области оказывают заметное влияние на другие отрасли наук о человеке - медицину, психиатрию, психологию, педагогику. 
Значение развития генетики человека очевидно. Можно с полной уверенностью сказать, что, например, в молекулах ДНК клеток человека запрограммирована генетическая информация, контролирующая каждый миг нашей жизни. Это касается здоровья, нормального развития, продолжительности жизни, наследственных болезней, сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных опухолей, предрасположенности к тем или иным инфекционным заболеваниям, старости и даже смерти. 
Правильно и образно сказал об этом в свое время в романе «Лезвие бритвы» писатель Иван Ефремов: «Наследственная память человеческого организма - результат жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память клеток и организма в целом есть тот автопилот, который автоматически ведет нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя действовать сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической и невесть какой еще регулировки. Чем больше мы узнаем биологию человека, тем более сложные системы мы в ней открываем». 

Особый интерес вызвала следующая информация об уникальной молекуле жизни:

• ДНК человека составляет менее 1% от веса клетки. И, тем не менее, чтобы воспроизвести самым мелким шрифтом ту огромную информацию, которая содержится в молекулах ДНК всего лишь одной нашей клетки, понадобилась бы тысяча книг по 1000 страниц в каждой! Вот таков размер генома человека – «Энциклопедии», написанной только четырьмя буквами!

• число отдельных молекул ДНК в клетке равно числу хромосом. Длина такой молекулы составляет около 8 см. Подобных гигантских полимеров пока не выявлено ни в природе, ни среди искусственно синтезированных химических соединений. У человека длина всех молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах одной клетки, составляет примерно 2 метра. Следовательно, длина молекул ДНК в миллиард раз больше их толщины. Так как организм человека состоит примерно из 5х1013- 1014 клеток, то общая длина всех молекул

ДНК в организме равна 1011 км (это почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца!

• наша ДНК – сложнейший закодированный язык. Молекула ДНК, состоящая, к примеру, всего из 100 пар нуклеотидов, может теоретически кодировать 4100 «текстов»!

В процессе углубления в проблему, анализируя и сравнивая изученные источники информации нас все в большей степени охватывало желание своими глазами увидеть, поближе познакомиться с таким замечательным объектом нашего исследования. Возникла необходимость в практическом извлечении молекулы ДНК из клеток человеческого организма и работа закипела с новой силой.


3. Практическая часть

Слайд 36.

3.1.Исследовательская работа «Выделение ДНК»

Цель: разработать оптимальный алгоритм практического выделения ДНК из клеток организма человека.

Задачи:

• определить и разработать условия для исследования генетического материала человека;

• составить алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека.

• осуществить выделение кристаллов молекулы

• рассмотреть выделенные кристаллы под микроскопом

Оборудование: пробирки, пипетки, водяная баня, стакан со льдом, микроскоп, предметные стекла, фильтровальная бумага, воронка, клетки для исследования

Реактивы: физиологический раствор, буфер для лизиса, протеаза, изопропанол или этанол 95%

Ход работы.

ДНК, как известно, есть в каждой клетке. Значит, выделить ее можно из любой ткани. Во всех тканях организма ДНК одинакова. Отличаются ткани тем, что в одних из них помимо вещества наследственности больше ничего нет (молоки селедки), а в других, таких, как костная ткань, содержание ДНК относительно невелико. Для исследования мы выбрали клетки эпителиальной ткани человека, собранные с внутренней поверхности слизистой оболочки щек (мало межклеточного вещества и достаточное количество самих клеток).


СБОР И ЛИЗИС КЛЕТОК.

Слайды 37-46.


1.Для эксперимента использовали 15мл пробирку, в которую добавили 3мл физиологического раствора. Подписали своими инициалами.

2.Осторожно пожевали внутренние поверхности своих щек в течение 30 секунд. Не надо кусать щеки до крови!

3.Набрали физиологический раствор из 15мл пробирки в рот и тщательно прополоскали его в течение 30 секунд. Физиологический раствор необходим для того, чтобы клетки не полопались раньше времени: давление внутреннего содержимого на клеточную мембрану изнутри уравновешивается давлением соляного раствора снаружи. Не глотайте воду!

4.Аккуратно выплюнули воду обратно в пробирку.

5.Нашли на столе 15мл пробирку с надписью «лизис». Используя чистую одноразовую пластиковую пипетку, добавили 2мл буфера для лизиса в свою пробирку. В качестве буфера использовали средство для мытья посуды «Ферри», разведенное в 4 раза. Данное средство, согласно рекламе, легко отмывает самую жирную посуду и вполне годится для того, чтобы разрушить липидную мембрану как самой клетки, так и ее ядра. В результате такой обработки все клеточное содержимое оказывается в растворе, он делается вязким, тягучим и более прозрачным, чем была клеточная суспензия. Изменение консистенции раствора – верный признак того, что лизис прошел успешно.

6.Закрутили пробирку крышкой и аккуратно перевернули пробирку 5 раз (не трясите ее!).

УДАЛЯЕМ БЕЛКИ.

В исследуемой смеси содержится большое количество белков, образующих прочные комплексы с ДНК. Чтобы очистить ДНК от остаточных белков, используем ферменты, способные разрушать эти молекулы. Для этого использовали раствор для очистки линз и таблетку для удаления белковых отложений. Для данного процесса можно использовать свежевыжатый сок ананаса.

1.Взяли маленькую пробирку с протеазой («прот»), или соком ананаса. Добавили 5 капель протеазы (250 мкл) к своему образцу.

2.Закрыли пробирку и несколько раз перевернули ее, чтобы перемешать содержимое.

3.Поместили свою пробирку в штатив или стакан на водяную баню, нагретую до 50С на 10 минут. По истечение этого времени вынули пробирку и поместили для охлаждения в стакан со льдом.

СДЕЛАЕМ НАШУ ДНК ВИДИМОЙ.

Слайды 47-50.

1.Взяли пробирку с холодным спиртом (изопропанол или этанол 95%). При использовании спиртов меньшей концентрации ДНК в кристаллическое состояние не перейдет. Наполнили одноразовую пластиковую пипетку холодным спиртом.

2.Держа пробирку со своим образцом под углом 45, добавили туда 10мл (два объема) спирта так, чтобы он медленно стекал по стенке пробирки. Нижние слои спирта частично смешиваются с раствором ДНК, при этом начинается процесс кристаллизации нуклеиновых кислот. Завинтили крышку на пробирке.

3.Поставили пробирку прямо перед собой в стакан со льдом или штатив, и оставили ее на 5 минут не трогая.

4.Через 5 минут снова посмотрели на пробирку. Обратили внимание на границу слоев спирта и воды.

5.Медленно перевернули пробирку 5 раз, чтобы ускорить осаждение ДНК. Обратили внимание на плавающие в пробирке нити, белые или прозрачные. Это и есть наша ДНК!

Слайд 51-52.

Чистые кристаллы ДНК похожи на клубки спутанных нитей. Не надо забывать, что мы видим именно кристаллы вещества, а не его макромолекулы.

6.Рассмотрели свою ДНК под микроскопом. Для этого деревянной палочкой выловили «нити». Можно использовать для отделения ДНК мелкое сито. Поместили «нити» на предметное стекло и рассмотрели под микроскопом. Увеличение школьного микроскопа не позволит увидеть структуру молекулы и определить, какие гены она содержит, но наша ДНК стала нам намного ближе.

Слайд 53-56.

4.Заключение.

Нуклеиновые кислоты представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов.

Выяснение структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) – открыло новую эпоху в биологии, позволило понять, каким образом живые организмы хранят информацию, необходимую для регуляции их жизнедеятельности и каким образом передают эту информацию своему потомству.

Исследования последних лет доказали, что любая живая клетка, в том числе и клетка человеческого организма, представляет собой целостную систему, все составные элементы которой обнаруживают тесное взаимодействие между собой и окружающей средой, оказывающей на гены огромное влияние.


Закономерности генетики в большинстве случаев носят универсальный характер. Они одинаково важны для растений, для животных. Велико их значение и для человека.

Мы считаeм, что изучение генома человека важно не только для сохранения его здоровья и разработки новых методов лечения, но и для понимания генетической составляющей его поведения и характера, интеллектуальных способностей, для восстановления истории возникновения человека.



Таким образом, знания о ДНК имеют огромное значение для человечества в окружающей нас действительности. Многие из нас и не догадывались о том, что выделить из клеток, увидеть своими глазами и потрогать сравнительно чистый препарат «Вещества Жизни» - это не фантастика, а вполне реальная и посильная задача для любого заинтересованного человека.

Предлагаемый нами алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека в процессе эксперимента можно усовершенствовать и изменять. Дерзайте, пробуйте, исследуйте – и наградой вам будет «знакомство» с собственной ДНК!


Слайд 57.



5.Список используемой литературы и электронные ресурсы

1. А.А.Каменский, Е,А,Криксунов, В.В.Пасечник. Биология 10-11классы. Москва, «Дрофа».2010.

2. А.И.Хамитова, И.М.Шоклев. К изучению нуклеиновых кислот. Химия в школе №4,2010г.

3. В. Артамонова. Как увидеть ДНК. «Химия и жизнь – XXI век».Medem.kiev.ua.

4. В.К.Шумной, Г.М.Дымшиц, А.О.Рувинский. Общая биология.Учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии в школе. Москва, «Просвещение» 2010.

5. Д.Тейлор, Н.Грин, У.Стаут. Биология/Под ред. Р.Сопера. Москва «Бином. Лаборатория знаний», 2013.

6. Н.Е.Кузьменко, В.В.Еремин, В.А.Попков. Пособие по химии для старших классов. Москва «Оникс 21 век», «Мир и образование» 2003.

7. Н.Е.Кузьменко, В.В.Еремин, В.А.Попков. Начала химии: современный курс для поступающих в вузы. Москва «Экзамен»,2001.

8. http://ppt4web.ru/biologija/stroenie-sostav-i-znachenie-dnk.html

9. http://pwpt.ru/presentation/biologiya/dnk/



6.Приложение

Алгоритм выделения ДНК из эпителиальных клеток организма человека

Шаги 1 и 2: сбор и лизис клеток.

  1. Возьмите с вашего стола 15 мл пробирку, содержащую 3мл физиологического раствора.

  2. Осторожно пожуйте внутренние поверхности ваших щек в течение 30 секунд. Не надо кусать щеки до крови!

  3. Наберите воду из 15 мл пробирки в рот и тщательно полощите его в течение 30 секунд. Не глотайте воду!

  4. Аккуратно выплюньте воду обратно в пробирку.

  5. Найдите на вашем столе 15 мл пробирку с надписью «лизис». Добавьте 2 мл буфера для лизиса в вашу пробирку.

  6. Закрутите пробирку крышкой и аккуратно переверните пробирку 5 раз (не трясите ее). Посмотрите на пробирку. Вы заметили какие-то изменения? Если да, запишите их.

Шаг 3: удаление белков.

  1. Возьмите с вашего стола маленькую пробирку с протеазой, добавьте 5 капель протеазы (250 мкл) к вашему образцу.

  2. Закройте пробирку и несколько раз переверните ее, чтобы перемешать содержимое.

  3. Поместите вашу пробирку в штатив или стакан на водяную баню, нагретую до 50С на 10 минут. По истечение этого времени выньте пробирки.

Шаги 4 и 5: сделайте вашу ДНК видимой.

  1. Возьмите пробирку с холодным спиртом.

  2. Держа пробирку с вашим образцом под углом 45, добавьте туда 10 мл спирта так, чтобы он медленно стекал по стенке пробирки. Завинтите крышку на пробирке.

  3. Поставьте пробирку прямо перед вами в стакан со льдом, оставьте ее на 5 минут не трогая.

  4. Через 5 минут снова посмотрите на пробирку. Обратите внимание на границу слоев воды и спирта. Вы видите что-нибудь? Запишите свои наблюдения.

  5. Медленно переверните пробирку 5 раз, чтобы ускорить осаждение ДНК. Обратите внимание на плавающие в пробирке нити, белые или прозрачные. Это ваша ДНК!

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9873.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9878.jpg

Подготовка к сбору клеток. Отмеряем 3 мл физиологического раствора.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9880.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9883.jpg

Сбор клеток.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9890.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9892.jpg

Отмеряем буфер для лизиса. Помещаем его в пробирку с клетками.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9895.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9896.jpg

Закручиваем крышку и аккуратно перемешиваем.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9897.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9898.jpg

Пробирку переворачиваем 5 раз без встряхивания.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9902.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9905.jpg

Добавляем 5 капель протеазы и снова аккуратно перемешиваем.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9907.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9906.jpg

Лизис.


c:\users\алексей\desktop\фото\img_9910.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9915.jpg

Добавляем охлажденный спирт.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9916.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9917.jpg

Пробирка с клетками под углом 45. Хорошо видны слои спирта и смеси.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9918.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9920.jpg

Оставляем на 5 минут в стакане со льдом. Плавающие нити в пробирке и есть моя ДНК.



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9929.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9931.jpg

А если рассмотреть под микроскопом?



c:\users\алексей\desktop\фото\img_9936.jpg

c:\users\алексей\desktop\фото\img_9939.jpg

При помощи деревянной палочки аккуратно достаем нити полученного вещества.



c:\users\алексей\desktop\фото\20150414_140411.jpg

Фото выделенного вещества.






Достарыңызбен бөлісу:


©stom.tilimen.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет