Г.Н. БАЛДЕНКОВ,
преподаватель биологии,
Лицей, г. Троицк, Моск. обл.

Практические работы по разделу
«Воспроизведение генетической информации»

Известно, что современный курс общей биологии для школ содержит недостаточно материалов для практических занятий. Кроме того, недостаточность или отсутствие материальной базы, дефицит оборудования и расходных материалов в школьных химических и биологических лабораториях обусловливают нелегкое положение с лабораторными и практическими занятиями по курсу общей биологии. Однако такой раздел курса, как «Воспроизведение генетической информации», предоставляет достаточно возможностей для проведения практических занятий с целью выработки навыков по обработке и оперированию генетической информацией.

Настоящая работа представляет собой разработку практического занятия, которое может быть использовано для проведения самостоятельных и контрольных работ по этой теме с привлечением материалов по химии клетки.

При проведении занятия могут быть реализованы следующие цели.

1. Закрепление знаний по структуре и свойствам генетического кода.

2. Закрепление знаний о процессе редупликации – матричном копировании ДНК и принципе комплементарности.

3. Закрепление знаний о транскрипции и трансляции генетической информации – процессе передачи.

4. Формулирование основополагающего принципа биологии о передаче генетической информации в клетке:
ДНК--->иРНК--->белок.

5. Объяснение возможности передачи информации РНК-содержащими вирусами по схеме:
вирусная РНК--->кДНК--->иРНК--->вирусный белок.

7. Знакомство с методами современной биотехнологии.

Разумеется, этим далеко не исчерпываются цели предлагаемого задания, однако они охватывают важнейшие разделы темы «Воспроизведение генетической информации».

Для проведения занятия необходимо хорошее владение материалом о свойствах и строении генетического кода, процессах воспроизведения генетической информации (редупликации, транскрипции и трансляции), принципе комплементарности, правиле Чаргаффа, которые следует повторить перед проведением работы.

Передача генетической информации происходит всегда определенным образом, нашедшим отражение в так называемой «центральной догме биологии», а именно, только в направлении от ДНК к иРНК и далее к белку.

Первый этап воспроизведения генетической информации, называемый транскрипцией, происходит при помощи РНК-полимеразы, которая строит комплементарную копию гена в виде иРНК.

На втором этапе, который называется трансляцией, происходит перевод информации с языка нуклеотидов (РНК) на язык аминокислот (белка). Таким образом, происходит реализация генетической информации для построения функциональных единиц – белковых молекул со специфическими функциями, которые также генетически закреплены.

При попадании РНК-содержащих вирусов в клетку возможна передача информации по цепочке: вирусная РНК--->кДНК--->ДНК--->иРНК--->белок вируса. Этот процесс реализуется с помощью обратной транскриптазы, которая на первом этапе воспроизведения генетической информации вируса строит кодирующую ДНК (кДНК) по матрице вирусной РНК. Затем эта кДНК встраивается в ДНК клетки-хозяина. Однако это происходит только при использовании ресурсов клетки, в которую проник вирус.

Подобную схему переноса генетической информации считают атавизмом. Это связано с тем, что РНК, по-видимому, в ходе химической эволюции стала играть роль информационной молекулы раньше, чем ДНК. Главным аргументом в пользу этого утверждения считают наличие ферментативной активности у молекул РНК, открытой Томасом Чехом, и способность молекул РНК к самовоспроизведению. Автор этого открытия был удостоен Нобелевской премии.

Однако рибозимная активность РНК в десятки тысяч раз ниже, чем у РНК-полимеразы, и обладают ею только короткие фрагменты РНК – олигонуклеотиды длиной до 50–100 оснований. С другой стороны, существует мнение, что рибозимная активность является вторичной и не имеет отношения к химической эволюции.

Для записи генетической информации используется единый генетический код. Если в одной лаборатории становится известной последовательность аминокислот белка, то в другой лаборатории могут написать соответствующие последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК), и наоборот.

Для занятия в классе можно предложить несколько форм работы, основанных на заполнении нуклеотидных карт и аминокислотных карт соответствующих им полипептидов (Приложения 1–4). Это может быть индивидуальная и групповая работа. Работу в группах можно представить как работу отдельных биотехнологических лабораторий, каждый из членов которых выполняет конкретную операцию. Отдельные ученики или группы обмениваются картами, постепенно заполняя их. Группа экспертов или один эксперт (это может быть учитель) в конце работы проводят сверку карт, выявляя ошибки-мутации.

Сложность работы будет зависеть от умения использовать учебный материал: таблицы генетического кода, схемы редупликации, транскрипции и трансляции, таблицы комплементарности, свойств генетического кода и др. Занятию можно придать характер лабораторной, практической, самостоятельной или контрольной работы.

Для конкретизации заданий лучше использовать карты небольших полипептидов, например, некоторых пептидных гормонов. С этой целью удобно использовать олигопептиды гормонов вазопрессина и окситоцина, а также метионин- и лейцин-энкефалинов – природных эндорфинов, вырабатывающихся в организме животных и человека (Приложения 1–4). Вазопрессин и окситоцин имеют широкий спектр действия, а эндогенные морфиноподобные вещества привлекают внимание в связи с проблемой наркомании и объяснением наркотического эффекта.

В карты может быть включен материал из раздела «Химия клетки», а именно формулы и свойства аминокислот. В олигопептидах вазопрессина и окситоцина имеются SH-содержащие аминокислоты (цистеин), образующие дисульфидные мостики во вторичной структуре пептида, что может быть отражено в степени сложности задания.

В карты включены кодоны-терминаторы, которые надо записать соответствующими триплетами в цепях ДНК или РНК. Включен также кодон-инициатор аминокислоты метионина, который стоит в этом случае в начале цепи.

Нуклеотиды лидирующей последовательности после кодона-инициатора (и соответствующие аминокислоты) не включены в содержание карт, поскольку не имеют принципиального значения для обработки генетической информации и удаляются из аминокислотной последовательности при процессинге (протеолизе).

Предлагаемая работа учащихся с карточками и заполнением таблиц перевода генетической информации (редупликации, транскрипции, трансляции), написанием формул и обозначений аминокислот может быть рассчитана на 1–2 урока в зависимости от сложности и характера задания.

В заключение занятия выставлются оценки учащимся и формулируются следующие выводы.

Генетическая информация универсальна. Формы жизни с другими генетическими кодами не обнаружены, т.е. генетический код един для всех организмов, и другого генетического кода нет. Этот код имеет достаточно возможностей для описания всего разнообразия белковых молекул.

На картах использованы общепринятые сокращения: иРНК – информационная РНК; кДНК – кодирующая цепь ДНК; комп. ДНК – комплементарная цепь ДНК. Кодон аминокислот выбран произвольно, как один из возможных, что допускается в работе учащихся.

Для проведения занятия используются варианты карт, в которых отсутствует какая-либо одна строка, т.е. имеется 5 вариантов каждой карты. Соответственно, работу можно распределить на конкретное число учащихся и групп. Можно предложить работу и по другим картам для других пептидов, количество которых практически не ограничено.

Приложение 1

Метионин-энкефалин – гормон ядер коры мозга, эндогенный опиоидный пептид, состоит из 5 аминокислот

Приложение 2

Лейцин-энкефалин – гормон ядер коры мозга, эндогенный опиоидный пептид, состоит из 5 аминокислот

Приложение 3

Вазопрессин – антидиуретический гормон – продуцируемый гипофизом, вызывает сокращение гладких мышц, снижает экскрецию воды, состоит из 9 аминокислот с одной дисульфидной связью

Химическая формула радикала аминокислоты
Аминокислота иРНК кДНК Комп. ДНК	Мет--> АУГ ТАЦ АТГ	Цис(С) УГЦ АЦГ ТГЦ	Тир УАЦ АТГ ТАЦ	Фен УУУ ААА ТТТ	Глу ЦАГ ГТЦ ЦАГ	Асн ГАЦ ЦТГ ГАЦ	Цис УГУ АЦА ТГТ	Про ЦЦЦ ГГГ ЦЦЦ	Арг ЦГА ГЦТ ЦГА	Гли(N) ГЦА ЦГТ ГЦА	(.) УАА ATТ ТАА

Приложение 4

Окситоцин – гормон гипофиза, вызывает сокращение гладких мышц, регулирует протекание родов, состоит из 9 аминокислот с одной дисульфидной связью

Химическая формула радикала аминокислоты
Аминокислота иРНК кДНК Комп. ДНК	Мет--> АУГ ТАЦ АТГ	Цис(С) УГЦ АЦГ ТГЦ	Тир УАЦ АТГ ТАЦ	Иле АУУ ТАА АТТ	Глу ЦАГ ГТЦ ЦАГ	Асн ГАЦ ЦТГ ГАЦ	Цис УГУ АЦА ТГТ	Про ЦЦЦ ГГГ ЦЦЦ	Лей ЦУУ ГАА ЦТГ	Гли(N) ГГУ ЦЦА ГГТ	(.) УАГ ATЦ ТАГ