VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
О чем рассказывает ДНК
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы часто слышим и говорим: «Как ты похож на папу…(маму, дедушку…)», «У тебя мамины глаза…» А медики, заболевшему человеку могут сказать, что у него генетическая предрасположенность к болезни.
Почему так происходит?
Вся информация о живом существе закодирована в генах. Носителем генов любого человека или животного является ДНК, открытая в 1869 году Иоганном Фридрихом Мишером [1].
ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота. Это очень длинная молекула, состоящая из структурных элементов – нуклеотидов. В одной молекуле ДНК находится 2 цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены вокруг друг друга [2].
ДНК располагаются в клеточном ядре, которое окружено специальной мембраной и в котором хранится весь генетический материал [2].
Знать, что такое ДНК, какое влияние она оказывает на нашу жизнь, очень важно. Остановить наследственные болезни, избавиться от ненужных наследственных признаков, продлить жизнь – это уже возможно в наше время благодаря ДНК. То есть, как гласит народная мудрость: «Предупрежден – значит вооружен». В связи с этим, считаем, актуальной тему нашего исследования.
Гипотеза: допустим ДНК – это биополимер, который несет ответственность за передачу данных о наследственных чертах, особенностях и развитии вида из поколения в поколение.
Цель: изучить значение, строение и функции ДНК.
Задачи:
Собрать и проанализировать информацию по теме исследования.
Провести анкетный опрос «О чем рассказывает ДНК» среди учащихся 5-10 классов школы «Престиж»
Ознакомиться с историей открытия ДНК.
Изучить строение молекулы ДНК, её местонахождение.
Узнать свойства ДНК.
Выяснить значение анализа ДНК
Сделать выводы по теме исследования.
Методы исследования: изучение и анализ источников информации по теме исследования, анализ, синтез, анкетный опрос, компьютерное моделирование, математические расчеты.
1. Анализ анкетного социологического опроса «О чем рассказывает ДНК» среди учащихся 5,8,9, 10 классов
В октябре-ноябре 2019 г. проводился анкетный социологический опрос среди учащихся нашей школы. Всего было опрошено 45 человека, в том числе, 25 девочек и 20 мальчиков. Было задано 6 вопросов:
Что такое ДНК? Что вы знаете о ДНК?
Каково значение ДНК в жизни организмов?
Что вы знаете о строении ДНК?
К чему приводит изменение в структуре ДНК?
С какой целью проводятся исследования с использованием ДНК?
6. Что может влиять на изменение структуры ДНК?
Результаты опроса:
Итак, диаграммы показывают, что пятиклассники практически не знают о ДНК.
Учащиеся 8, 9, 10 классов в большинстве знают о ДНК и ответили положительно почти на все вопросы, за исключением некоторых.
Таким образом, у нас возникла идея ознакомить учащихся нашей школы с основополагающими вопросами, связанными с ДНК.
2. Значение и история открытия ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это биополимер, который несет ответственность за передачу данных о наследственных чертах, особенностях и развитии вида из поколения в поколение. Его мономером является нуклеотид[1].
ДНК находится в суперскрученном состоянии, располагается в ядре, пластидах и митохондриях. Для процесса жизнедеятельности организмов она должна быть раскрученной и в этом помогают ферменты – топоизомераза и хиликаза [1].
Рисунок 1- Цепочка ДНК
В 1952 году американские генетики Альфред Херши и Марта Клоулз Чейз провели целую серию опытов, которые показали, что вся наследственная информация содержится в ДНК, а не в белках, как было принято считать ранее.
Тогда стало понятно значение ДНК и началось ее изучение.
Хотя первое открытие структуры ДНК приписывают английским биологам Джеймсу Уотсону и Френсису Крику, которые в 1953 году раскрыли особенности строения молекулы ДНК.
Однако, ещё в 1860 году швейцарский врач Фридрих Мишер нашел эту молекулу, когда изучал химический состав животных клеток с помощью лейкоцитов, которые скапливаются в гнойных поражениях. Мишер занимался изучением способов отмывания лейкоцитов, выделял белки и обнаружил, что кроме них есть ещё что-то в осадке из хлопьев на дне посуды. Изучив эти отложения под микроскопом молодой врач обнаружил ядра, которые оставались после обработки соляной кислотой. Там содержалось соединение, которое Мишер назвал нуклеином (от лат. слова нуклеус – ядро) [1].
3. Строение молекулы ДНК
ДНК – это очень длинная молекула, состоящая из структурных элементов - нуклеотидах. Имеется 4 вида нуклеотидов – это аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Цепочка нуклеотидов схематически выглядит так: ГГААТЦТААГ [2].
3.1. Местонахождение ДНК
ДНК располагается внутри клетки. Её точное расположение зависит от особенностей вида. У одноклеточных организмов ДНК находится в мембране. У остальных живых существ она располагается в ядре, в пластидах и митохондриях[2].
3.2. Спирилизация ДНК
В одной молекуле ДНК имеется две цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены друг вокруг друга.
Спирилизация ДНК обусловлена свойством комплементарности. Комплементарность означает, что друг напротив друга в двух цепочках могут находиться только определенные нуклеотиды (комплементарные) (рис. 2).
Рисунок 2 - Комплементарное расположение нуклеотидов в молекуле ДНК
Так, напротив аденина всегда стоит тимин, а напротив гуанина – всегда только цитозин. То есть, гуанин комплеиентарен с цитозином, а аденин с тимином. Эти пары нуклеотидов, стоящие напротив друг друга в разных цепочках ДНК, называются комплементарными: А-Т и Г- Ц. Причем связь между не комплементарными нуклеотидами невозможна (Г и А, Т и Ц).
Нуклеотидные цепочки ДНК закручиваются вокруг друг друга. Это объясняется тем, что количество нуклеотидов огромно и нужно очень много места, чтобы разместить такие длинные цепочки, поэтому и происходит спиральное закручивание нитей ДНК вокруг друг друга. Это явление называется спирилизация. В результате спирилизации цепочки ДНК укорачиваются в 5-6 раз.
Некоторые молекулы ДНК активно используются организмом, а некоторые очень редко. Такие редко используемые молекулы ДНК помимо спирилизации подвергаются ещё более компактной упаковке – суперспирилизации, при которой нить ДНК укорачивается в 25-30 раз.
Для суперспирилизации используются гистоновые белки, которые имеют вид и структуру катушки для ниток. На эти «катушки» - наматываются спиральные нити ДНК. Длинная нить становится очень компактно упакованной и занимает очень мало места.
Рисунок 3 – «Катушка» – гистоновые белки и нити ДНК
Для суперспирилизации используются гистоновые белки, которые имеют вид и структуру стержня или катушки для ниток.
В случае необходимости использования молекулы ДНК происходит процесс раскручивания, т.е. нить ДНК сматывается с катушки и раскручивается из спирали в две параллельные цепи. Когда молекула ДНК находится в таком раскрученном состоянии, то с не можно считать необходимую генетическую информацию.
Совокупность суперспирилизованных хромосом называется гетерохроматин, а хромосом, доступных для считывания информации – эухроматин [2].
3.3. Гены
Ген – это строго определенный участок ДНК, состоящий из определенного количества нуклеотидов, расположенных в строго определенной комбинации. Расположение в строго определенном участке ДНК означает, что конкретному гену отведено его место, и поменять это место невозможно. Определенное количество нуклеотидов в гене означает, что каждый ген имеет конкретное число нуклеотидов и их не может быть больше или меньше. Строгая последовательность является уникальной для каждого гена и строго определенной. Например, последовательность ААТТААТА – это фрагмент гена, кодирующего выработку инсулина [2].
3.4. Хромосомы
Совокупность генов индивидуума называется геномом. Естественно, ведь геном невозможно уложить в одну ДНК. Геном разбит на 46 пар молекул ДНК. Одна пара молекул ДНК называется хромосома. Так вот, именно этих хромосом у человека имеется 46 штук. Каждая хромосома несет строго определенный набор генов, например, в 18 хромосоме заложены гены, кодирующие цвет глаз и т.д. Хромосомы различаются друг от друга по длине и форме. Самые распространенные формы в виде Х или Y, но имеются также и другие.
Рисунок 4 – Хромосома Х
У человека имеются по две хромосомы одинаковой формы, которые называются парными (парами). В связи с такими различиями все парные хромосомы пронумерованы – их имеется 23 пары. Это означает, что имеются пара хромосом №1, пара №2, №3 и т.д. Каждый ген ответственный за определенный признак находится в одной и той же хромосоме. В современных руководствах для специалистов может указываться локализация гена, например, следующим образом: 22 хромосома, длинное плечо [1,2].
4. Свойства ДНК
ДНК обладает определенными свойствами, на основании которых мы можем узнать о человеке или любом другом существе определенные особенности и предрасположенность к тем или иным способностям.
Уровень интеллекта
Кто бы мог подумать, что на наши результаты IQ теста влияет всего один ген. Именно он помогает быстрее учиться и меньше напрягаться во время умственной работы. Также он отвечает за формирование воспоминаний и способность быстрого восприятия других языков. Носителями являются 60% людей.
Музыкальный слух
Ученые взяли кровь на анализ у почти 800 человек от 7 до 95 лет. Всем было предложено пройти музыкальный тест. Получившие оценку «отлично» имели два одинаковых участка дезоксирибонуклеиновой кислоты. Так было доказано, что генами у человека определяется предрасположенность к музыкальным способностям.
Каждому подходит своя диета
Почему на одних людях определенная диета работает хорошо, а на других не действует? Дело в генетическом коде. Он уникален, и каждая цепочка имеет свой баланс веществ: белков, жиров, углеводов. Чтобы питание было эффективным, необходимо индивидуально подбирать соотношение питательных веществ.
Доминирующие гены у человека определяют общительность
Тысяча подростков-близнецов приняли участие в исследовании, в ходе которого сравнивали их количество друзей. Результаты показали, что генная структура влияет на фактор общительности в первую очередь.
Любовь к сладкому
Расшифровка генома человека привела ученых к выводу, что на любовь к сладкому влияет генный набор. Выявлено, что люди с определенным генотипом с детства потребляют больше сахара.
Тайное наследство предков
В генетическом коде собрана информация о здоровье предков. С помощью генетики вы можете определить, насколько высока вероятность развития гипертонии или рака. Знание рисков в плане здоровья поможет проводить правильную профилактику.
Молекулы ДНК регулярно открывают ученым ранее не изведанные факты, и чем дальше биологи погружаются в изучение ДНК, тем сильнее «стирается» грань между природными процессами и технологиями, от чего становится как-то не по себе.
Так, например, с помощью ДНК ученые уже нашли способ, как победить некоторые заболевания, восстановить облик преступника, но это далеко не все. Чтобы продемонстрировать лишь малую часть потенциала этих молекул, рассмотрим самые необычные трюки, которые смогли провернуть ученые с ДНК-молекулой [3].
5. Значение анализа ДНК
В наши дни анализ ДНКстановится уже общедоступным методом исследования. Известно, что в ДНК заключена вся информация о человеке, и передается она посредством всего лишь четырёх азотистых оснований: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г) и тимина (Т).Последовательностью этих четырех букв закодированы все существующие гены, благодаря которым в организме человека синтезируются белки. В ДНКзаписано, когда, сколько и каких белков будет произведено в нашем теле. Поэтому по анализу ДНКможно определить практически всю информацию о человеке, начиная с внешних данных, предрасположенности к различным заболеваниям и заканчивая чертами характера и происхождением.
В настоящее время ДНК-анализы используются и в криминалистике, и в юриспруденции. Самая популярная потребность в таком исследовании — определение отцовства.
Итак, по анализу ДНК можем определить следующее:
наследственную предрасположенность к конкретным заболеваниям, которые уже встречались в семье;
общий «генетический анамнез» человека, который желает знать наверняка, какие заболевания могут возникнуть у него в будущем;
причину неясных симптомов в отсутствии возможности поставить диагноз иным путем (особенно актуально для детей с редкой генетической патологией);
индивидуальную непереносимость определенных лекарственных препаратов;
степень генетического родства с предполагаемыми членами семьи;
склонность к алкоголизму или наркомании;
риски при наличии серьезных физических нагрузок (важно для профессиональных спортсменов);
Один из наиболее популярных в последнее время анализов - тест ДНК на предрасположенность к спорту- позволяет узнать, каким спортивным потенциалом обладает человек. Такой анализ поможет родителям понять, в какую секцию лучше отдать ребенка [1, 3].
Заключение
1) ДНК – это биополимер, отвечающий за передачу наследственности, особенностях и развитии вида из поколение в поколение.
2) У большинства организмов, в том числе, у человека ДНК располагается в клеточном ядре. То есть, ядро – хранитель всего генетического материала - ДНК.
3) ДНК – это очень длинная молекула, состоящая из четырех нуклеотидов: аденин, тимин, гуанин, цитозин.
4) Молекула ДНК – представляет собой две цепочки нуклеотидов, спирально закрученных друг вокруг друга. Расположение нуклеотидов в цепочке построено по принципу комплементарности (строгое расположение друг напротив друга определенных нуклеотидов:
Г-Ц;
Т-А;
Т-А:
Ц-Г)
5) Две нити ДНК спирально закручены – этот процесс называется спирилизацией, в результате которого цепочки ДНК укорачиваются в 5-6 раз. При суперспирилизации – в 25-30 раз.
6) По ДНК определяются различные свойства и наклонности человека.
7) По анализам ДНК можно получить любую информацию о человеке.
Таким образом, ДНК может рассказать многое о человеческом организме, о его прошлом, настоящем и будущем..
Список использованных источников и литературы
Что такое ДНК человека и из чего состоит молекула. Генетическое ДНК и маркеры наследственных болезней - – https://4-women.ru/meditsina/gematologiya/chto-takoe-dnk-cheloveka-i-iz-chego-sostoit-molekyla-geneticheskoe-dnk-i-markery-nasledstvennyh-boleznei.html
Молекула ДНК человека. Как работают гены, что такое РНК, нуклеотиды, синтез белка - polismed.com/articles-molekula-dnk-cheloveka-kak-rabotajut-geny-chto-takoe-rnk-nukleotidy-sintez-belka.html
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения - http://propionix.ru/dnk-prokariot-i-eukariot