Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 45

ДНК и РНК: комплементарность, правило Чаргаффа и чтение последовательности

Нуклеотид — не просто буква. Сахар, фосфат и основание задают направление цепи; две цепи ДНК антипараллельны, а разные типы РНК выполняют разные задачи. Разберём, что можно вычислить по составу оснований и что реально даёт секвенирование.

Химическая организация клетки

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Химическая организация клетки

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Нуклеотиды и фосфодиэфирные связи
  • Сахарофосфатный остов и направление 5′–3′
  • ДНК и двойная спираль
  • Антипараллельность и комплементарность
  • Правило Чаргаффа и область его применения
  • Местонахождение ДНК
  • РНК: иРНК, тРНК, рРНК и регуляторные формы
  • Функции РНК
  • Секвенирование ДНК и ограничения
  • Исследование выделенных нуклеиновых кислот
Похожие блоки, разные биологические ролиДНКРНКАТФДНК хранит последовательность; РНК участвует в её реализации.АТФ участвует в сопряжении реакций с затратой энергии.Стрелка не означает, что все гены кодируют белки или что АТФ хранит гены.
На модели показаны основания и направление цепей; у разных молекул РНК возможны сложные трёхмерные структуры, хотя они часто одноцепочечные.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в цепь направленным сахарофосфатным остовом. Дезоксирибоза ДНК отличается от рибозы РНК химической группой у 2′-атома углерода. У клеток ДНК обычно двухцепочечна: основания A–T и G–C спариваются между антипараллельными цепями. Правило Чаргаффа следует из такого спаривания для двухцепочечной молекулы; его нельзя безоговорочно переносить на одиночную цепь или на любой вирусный геном. При вычислении процента оснований нужно сначала указать, одна цепь дана или обе вместе.

В эукариотической клетке ДНК находится не только в ядре, но и в митохондриях, а у фотосинтезирующих эукариот — в пластидах. У бактерий нет оформленного мембранного ядра; их наследственный материал находится в клетке иначе. Не вся последовательность ДНК кодирует белок: среди её участков есть регуляторные и другие некодирующие области. Отсутствие белкового продукта не делает такой участок автоматически «бесполезным», но и не доказывает функции каждого нуклеотида.

ИРНК, тРНК и рРНК — не три названия одной промежуточной молекулы. ИРНК несёт последовательность кодонов, тРНК связывает распознавание кодона и доставку аминокислоты, рРНК участвует в устройстве и каталитической работе рибосомы. Существуют и регуляторные РНК. Хотя многие молекулы РНК состоят из одной цепи, участки одной цепи могут спариваться между собой и образовывать сложную форму. Поэтому слово «одноцепочечная» не означает «прямая нитка без структуры».

Секвенирование устанавливает порядок оснований по экспериментальным сигналам, но результат — обработанные данные с ошибками и зонами неопределённости. Методы различаются длиной чтений, точностью и подготовкой образца. Совпадение короткого фрагмента с эталоном ещё не раскрывает функцию варианта и не заменяет клинический диагноз. Школьное исследование нуклеиновых кислот безопаснее строить на готовых открытых последовательностях или разрешённых растительных образцах; выделенный осадок сам по себе не доказывает чистоту ДНК без контрольных методов.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Нуклеотид

Структурная единица нуклеиновой кислоты из азотистого основания, пятиуглеродного сахара и фосфатной группы.

Пример: Нуклеотид ДНК с аденином содержит дезоксирибозу, тогда как соответствующий нуклеотид РНК — рибозу.

Фосфодиэфирная связь

Ковалентное соединение соседних сахарных остатков через фосфат, формирующее направленный остов нуклеиновой кислоты.

Пример: В цепи ДНК эта связь соединяет 3′-позицию одного сахара с 5′-позицией следующего.

Комплементарность

Избирательное спаривание оснований при подходящей пространственной геометрии: в ДНК обычно A с T, G с C.

Пример: Для участка 5′-ATGC-3′ комплементарная цепь при записи напротив идёт 3′-TACG-5′.

Антипараллельность

Противоположная ориентация двух спаренных полинуклеотидных цепей: конец 5′ одной находится напротив конца 3′ другой.

Пример: При переписывании пары 5′-ATGC-3′ в обратном направлении комплементарная цепь станет 5′-GCAT-3′.

Двойная спираль

Распространённая пространственная организация двух комплементарных цепей ДНК с основаниями внутри и сахарофосфатным остовом снаружи.

Пример: Большая часть клеточной геномной ДНК существует в двухцепочечной форме, но у вирусов возможны иные варианты генома.

Правило Чаргаффа

Для достаточно длинной двухцепочечной ДНК соотношения оснований удовлетворяют приближённым равенствам A=T и G=C.

Пример: Если в двухцепочечной ДНК A составляет 30%, то T также около 30%, а G и C — примерно по 20%.

Геном

Совокупность наследственного материала организма или вируса, границы которой задаются рассматриваемой биологической системой.

Пример: У человека ядерный геном и митохондриальная ДНК находятся в разных клеточных компартментах.

иРНК

Информационная РНК, последовательность которой служит матрицей для синтеза определённой полипептидной цепи на рибосоме.

Пример: Рибосома считывает кодоны иРНК по три нуклеотида в установленной рамке считывания.

тРНК

Транспортная РНК, которая распознаёт кодон через антикодон и доставляет соответствующую аминокислоту к рибосоме.

Пример: Правильное соединение тРНК с аминокислотой зависит от специальных ферментов, а не только от спаривания оснований.

рРНК

Рибосомная РНК, входящая в состав рибосомы и участвующая в её структуре и каталитической работе.

Пример: Часть рРНК рибосомы участвует в формировании пептидной связи между аминокислотами.

Регуляторная РНК

РНК, влияющая на экспрессию генов или работу других молекул, не обязательно служащая матрицей для синтеза белка.

Пример: Некоторые микроРНК снижают образование белка из определённых иРНК.

Секвенирование ДНК

Определение порядка нуклеотидных оснований в исследуемой ДНК с помощью лабораторного получения сигналов и вычислительной обработки.

Пример: Прочитанные фрагменты сопоставляют с эталонной последовательностью, учитывая ошибки чтения и покрытие участка.

Покрытие чтения

Число или глубина независимых прочтений участка последовательности, влияющая на уверенность в определении его варианта.

Пример: Один слабый сигнал в редком участке не столь убедителен, как согласующиеся независимые чтения.

Пример по шагам

В образце двухцепочечной ДНК 28% нуклеотидов — аденин. Сколько тимина, гуанина и цитозина?

  1. Для двух цепей A≈T, поэтому T≈28%.
  2. Остаток 100−28−28=44% приходится вместе на G и C.
  3. Поскольку G≈C, каждого около 22%; для одноцепочечной РНК такой вывод не обязателен.

Вывод: T≈28%, G≈22%, C≈22% при условии, что дана суммарная двухцепочечная ДНК.

Практическая работа

Учебное исследование нуклеиновых кислот по готовым данным

  1. Сравните две короткие открытые последовательности ДНК растений и отметьте совпадающие и различающиеся позиции.
  2. Для одного фрагмента постройте комплементарную антипараллельную цепь и отдельно вычислите состав обеих цепей вместе.
  3. Просмотрите карточку метода секвенирования: укажите источник сигнала, контроль качества и хотя бы одно ограничение результата.

Что можно заключить: Последовательность — измеренные данные с направлением, качеством и контекстом; её сравнение не устанавливает функцию автоматически.

Безопасность: Не собирайте биоматериал людей и генетические сведения одноклассников; работу с выделением нуклеиновых кислот из разрешённых образцов проводите только по инструкции учителя.

Практическая работа

Исследование нуклеиновых кислот, выделенных из клеток различных организмов

  1. Сравните документированные готовые препараты или фотографии выделенных нуклеиновых кислот из двух разных учебных образцов; проверьте подписи вида, способа выделения и контроля загрязнения.
  2. Для каждого образца запишите, какая независимая проверка подтверждает присутствие ДНК или РНК, например валидированный краситель, электрофореграмма или результат ферментной обработки, предоставленный лабораторией.
  3. Отделите видимый осадок от доказательства состава: белки и другие молекулы могут выпадать вместе с нуклеиновыми кислотами; сравните контроль и ограничения метода.

Что можно заключить: Видимый осадок сам по себе не удостоверяет чистую ДНК; вывод о нуклеиновой кислоте требует специфического контроля.

Безопасность: Для самостоятельной работы не используйте спирты, концентрированные соли и биологические образцы неизвестного происхождения; анализируйте готовые безопасные материалы.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.