Проект выполнили: Александрова Ирина, Кобегина Виктория, Фадеева Татьяна, Зотова Нина.
ВВЕДЕНИЕ
Дезоксирибонуклеиновая кислоты — ДНК — в современном мире является одной из ежедневных тем для разговоров – ее клонируют, секвенируют, модифицируют.
Клонирование — в самом общем значении — точное воспроизведение какого-либо объекта.
Секвенирование биополимеров — определение их аминокислотной или нуклеотидной последовательности.
Модифицирование — изменение структуры ДНК.
А что же собой представляет наша ДНК? В рамках школьной программы мы получили теоретические знания об особенностях строения и функциях ДНК. Пришло время перейти к практике!
Целью работы стало выделение собственной ДНК в домашних условиях, а также создание обучающего видеоролика для учеников 10-х классов, заинтересовавшихся данной темой в ходе выполнения работы.
Задачи:
- изучить литературу по данной теме, определить строение и функции ДНК
- изучить методику выделения ДНК
- подготовить оборудование для проведения опыта в домашних условиях
- опробовать методику выделения ДНК, используя клетки растительных организмов
- выделить ДНК человека
- создать обучающий видеоролик «Выделение ДНК человека в домашних условиях»
ГЛАВА 1. История открытия ДНК
Открытие ДНК, как и практически все великие открытия, не было результатом работы одинокого гения, а увенчало собой длинную цепь экспериментальных работ.
Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 г. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.[3]
Морис Уилкинс и Розалин Франклин, ученые из Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели американского биохимика Джеймса Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот.Молодой американский биохимик Джеймс Уотсон отправился на год в Кембриджский университет для работы с молодым английским физиком-теоретиком Френсисом Криком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию. Уотсону и Крику было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК — урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися и в феврале 1953 г. сделали сообщение о структуре ДНК. Экспериментируя с металлическими моделями, Крик и Уотсон пытались объединить различные компоненты молекулы в трехмерную модель ДНК. Согласно модели Крика — Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. С помощью этой модели можно было проследить репликацию самой молекулы ДНК. Когда клетка приступает к делению им необходима дополнительная ДНК для дочерних клеток, ферменты начинают «расстегивать» лестницу ДНК, как застежку-«молнию», обнажая индивидуальные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к парным «обнажившимся» основаниям. В результате на каждой из двух разошедшихся цепей ДНК достраивается соответствующая ей цепь из компонентов окружающей среды, и исходная молекула дает начало двум двойным спиралям.
Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века. Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 г. «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». В речи на презентации А.В. Энгстрем из Каролинского института охарактеризовал ДНК как «полимер, составленный из строительных блоков нескольких типов — моносахарида, фосфата и азотистых оснований... Моносахарид и фосфат — повторяющиеся элементы гигантской молекулы ДНК, кроме того, она содержит четыре типа азотистых оснований. Открытием является порядок пространственного соединения этих строительных блоков».
Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 г. был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1996 г. на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны. [5]
Строение молекулы ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трех 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. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
С химической точки зрения 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, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам. [1]
ГЛАВА 3. Функции ДНК
- Молекулы ДНК хранят наследственную информацию о структуре специфических для каждого организма белков;
- ДНК обеспечивает передачу наследственной информации от клетки к клетке, от организма к организму;
- участвуют в реализации генетической информации, т.е. участвуют в процессе синтеза полипептидов. [2]
ГЛАВА 4. Методика выделения ДНК из клетки
Поскольку ДНК содержится внутри клеток живых организмов, она защищена липидным слоем клеточной и ядерной мембран, при выделении ДНК, необходимо провести лизис - разрушить защитные жировые оболочки клетки и ядра. Кроме того, ДНК в ядре клетки прочно связанна с большим количеством белков, чтобы высвободить молекулы кислоты, нужно избавится от белков при помощи особых ферментов. Ферменты, разрушающие белки называются «протиолитическими», к таким ферментам относятся: протеаза, трипсин, пепсин, репсин, химотрипсин, коллагеназа, пептидаза, эластаза. [4]
В домашних условиях при выделении ДНК лизис клеточных мембран можно провести с помощью обычного моющего средства, предназначенного для удаления жиров. Ферменты, необходимые для удаления белков, содержатся, например, в ананасовом соке, или растворе для хранения контактных линз, удаляющий с них протеиновые отложения.
Для выделения ДНК вам потребуется:
- Чайная ложка соли;
- Маленький чистый стакан;
- Холодная вода
4. Немного жидкого средства;
5. Пипетка;
6. Ледяной спиртной напиток крепостью более 50% (водка или медицинский спирт);
7. Биоматериал (слюна, содержащая клетки внутренней поверхности щеки)
В чистом стакане развести чайную ложку жидкого моющего средства тремя чайными ложками воды. Тщательно и энергично прополоскать рот соленой водой (раствор соли уравновешивает давление содержимого клетки на ее стенки и не позволяет клеткам разрушится раньше времени) в течение 30 секунд, потом выплюнуть воду в стакан с разведенным моющим средством. После интенсивного перемешивания в течение нескольких минут очень осторожно влить в стакан пару чайных ложек ледяного спиртного напитка (благодаря спирту смесь расслаивается, а содержащиеся в ней нуклеиновые кислоты кристаллизуются и всплывают на поверхность), спуская его по стенке стакана. Для этих целей можно воспользоваться пипеткой; можно также наклонить стакан. Делать это необходимо как следует, сосредоточившись, потому как от этого зависит, насколько отчетливой будет граница воды и спирта. Если проявить осторожность, спиртной напиток образует отдельный слой поверх смеси соли и слюны. Подождав несколько минут, можно увидеть, как в спиртном начнут проявляться комочки белых тонких нитей. Это и есть ДНК. [6]
ЛИТЕРАТУРА
- Беляев Д.К., Бородин П.М., Воронцов Н.Н. И др. Биология. Общая биология. 10-11 классы: учеб. Пособие для общеобразовательных учреждений: базовый уровень, Рос. акад. наук, Рос. акад. образования. - М: Просвещение, 2011. - 304 с.
- Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т. Общая биология: базовый уровень: учебник для 10-11 классов общеобразовательных учреждений, - М: Дрофа, 2010. - 368 с.
- http//ru.wikipedia.org — Википедия — свободная энциклопедия
4.http://d3.ru/comments/340952
- http://www.publicevents.ru/pages/68.htm
- http://natureworld.ru/evolyutsiya/istoriya-otkryitiya-molekulyi-dnk.html