DNA – nośnik informacji genetycznej

RHCpebEjDjLbp

Zdjęcie przedstawia cząsteczkę DNA widzianą w mikroskopie elektronowym. Zdjęcie jest czarno‑białe. DNA jest nitkowaty i czarny. Tworzy pętlę.

1. Podwójna nić DNA

Cząsteczka DNA, czyli kwasu deoksyrybonukleinowego, jest zbudowana z mniejszych jednostek – nukleotydównukleotydnukleotydów. Z kolei każdy nukleotyd składa się z trzech elementów:

• cukru – deoksyrybozy;

• reszty kwasu fosforowego;

• jednej z czterech zasad azotowych: adeniny, cytozyny, guaniny lub tyminy. 

W zależności od tego, jaka zasada azotowa wchodzi w skład nukleotydów, wyróżnia się cztery ich rodzaje: nukleotydy adeninowe, cytozynowe, guaninowe i tyminowe.

Nukleotydy łączą się ze sobą poprzez reszty kwasu fosforowego, tworząc pojedynczą nić – łańcuch polinukleotydowy. Grupy cukrowe i fosforanowe stanowią zewnętrzny szkielet DNA, nazywany szkieletem cukrowo‑fosforanowym.

Cząsteczka DNA jest zbudowana z dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Są one ułożone równolegle i spiralnie skręcone wokół wspólnej osi. Utworzona w ten sposób dwułańcuchowa struktura zwana jest podwójną helisąhelisahelisą. Kształt ten utrzymuje się dzięki wiązaniom wodorowymwiązanie wodorowewiązaniom wodorowym, które występują między zasadami azotowymi wchodzącymi w skład obu łańcuchów. Zasady łączą się w ściśle określony sposób: adenina zawsze z tyminą (A–T), a cytozyna zawsze z guaniną (C–G). Takie dopasowanie nazywamy komplementarnościązasada komplementarnościkomplementarnością zasad.

Doświadczenie 1

Wyizolowanie DNA z komórek owocu kiwi.

Problem badawczy

Czy z komórek owocu kiwi można wyizolować pojedyncze cząsteczki DNA?

Hipoteza

Hipoteza 1

Hipoteza 1

Z komórek owocu kiwi można wyizolować pojedyncze cząsteczki DNA.

Hipoteza 2

Hipoteza 2

Z komórek owocu kiwi nie można wyizolować pojedynczych cząsteczek DNA.

Co będzie potrzebne

• 1 owoc kiwi

• płaska łyżeczka soli kuchennej

• 100 ml wody

• 10 ml 95‑procentowego alkoholu etylowego (najlepiej zamrożonego lub przynajmniej schłodzonego)

• duża kropla skoncentrowanego (gęstego) płynu do mycia naczyń

• naczynia: szklanka, probówka, lejek, miseczka, miska

• statyw na probówki

• lód

• deska do krojenia

• nóż

• moździerz

• tłuczek

• filtr do kawy

• wykałaczka

• lniana ściereczka

Instrukcja

1. Rozpuść jedną łyżeczkę soli kuchennej w 100 ml wody.

2. Kilka kostek lodu zawiń w ściereczkę, rozbij je tłuczkiem na drobne kawałki i wsyp do miseczki.

3. Z kiwi wykrój kostkę o wymiarach 1 × 2 × 3 cm i poszatkuj ją jak najdrobniej.

4. Poszatkowany miąższ włóż do moździerza, wlej dwie łyżeczki roztworu soli i utrzyj całość na gładką masę.

5. Uzyskaną masę przenieś do szklanki i dolej do niej roztworu soli, aby objętość zawiesiny zwiększyła się ok. dwu-, trzykrotnie.

6. Dodaj dużą kroplę płynu do mycia naczyń i delikatnie pomieszaj, tak aby roztwór się nie spienił.

7. Włóż szklankę do miski z lodem. Lód powinien sięgać nieco niżej niż poziom płynu w szklance.

8. Odczekaj ok. 5 minut, co jakiś czas mieszając zawiesinę.

9. Po upływie 5 minut mieszaj tak długo, aż zawiesina stanie się lepka. Lepkość sprawdzaj palcami, dotykając wykałaczki zanurzonej w zawiesinie.

10. Umieść probówkę na statywie i włóż do niej lejek wyłożony filtrem do kawy zwilżonym wodą.

11. Wyjmij mieszaninę z lodu i przelej do lejka.

12. Odczekaj, aż w probówce zbierze się przesącz. Usuń lejek, lekko przechyl probówkę i bardzo ostrożnie nalej po ściance zmrożony spirytus – jego objętość nie powinna być większa niż objętość przesączu. Odstaw probówkę na 2–3 minuty.

13. Obserwuj zawartość probówki. Zwróć uwagę na małe, białe kłaczki pojawiające się na styku spirytusu i zawiesiny. Po 10 minutach zbiorą się one na powierzchni płynu. Można je nawet nawinąć na wykałaczkę i wyjąć z roztworu. Po wysuszeniu stają się niewidoczne.

Ważne informacje:

Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) znajduje się w jądrach komórkowych, mitochondriach i chloroplastach. Żeby uwolnić go z tych struktur, trzeba zniszczyć ściany i błony komórkowe poprzez rozcieranie, a następnie wypłukać go przy użyciu wodnego roztworu soli. Pomaga w tym detergent zawarty w płynie do mycia naczyń.

Uwolniony DNA zostałby szybko rozłożony przez enzymyenzymenzymy zawarte w zniszczonych komórkach. By do tego nie dopuścić, mieszaninę się chłodzi, gdyż w temperaturze bliskiej 0°C enzymy są mało aktywne.

Odsączenie zawiesiny kiwi przez filtr służy oddzieleniu DNA od fragmentów tkanek. Alkohol i jony chlorku sodu powodują wytrącanie się DNA, który tworzy duże kompleksy widoczne w roztworze jako długie nitki.

R1YS82pf4LOrs

Dwie fotografie ilustrują wynik obserwacji, polegającej na wytrąceniu DNA z owocu kiwi. Obie fotografie na niebiesko‑beżowym tle są połączone dużym kwadratem z napisem DNA. Wskazuje on strzałkami, gdzie znajduje się DNA. Na każdej fotografii widoczna jest w zbliżeniu probówka z przezroczystym płynem. W probówce A na podłożu, zebrał się jasny, kłaczkowaty osad, wskazany jako DNA. W probówce B jasny osad DNA znajduje się na podłożu i powierzchni płynu.

RPyAgyyCnVaP8

Wyniki: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzibluzewhite

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Podpowiedźbluewhite

Podpowiedź

Wyniki: Zanotuj, jak zmieniała się zawartość probówki.

Wnioski: Czym są białe kłaczki w probówce?

Weryfikacja hipotezy: Która hipoteza jest prawdziwa, a która fałszywa?

Odpowiedźbluewhite

Odpowiedź

Wyniki: Na styku spirytusu i zawiesiny pojawiły się białe kłaczki, które po upływie 10 minut znalazły się na powierzchni płynu. Po wyjęciu i wysuszeniu stały się niewidoczne.

Wnioski: Wytrącone w probówce długie nitki to nie pojedyncze cząsteczki DNA (te są niewidoczne dla ludzkiego oka), lecz kompleksy utworzone przez wszystkie kwasy nukleinowekwasy nukleinowekwasy nukleinowe zawarte w komórkach owocu kiwi.

Weryfikacja hipotezy: Hipoteza 2 jest prawdziwa, a hipoteza 1 – fałszywa.

2. Gen – odcinek DNA

GengenGen to fragment cząsteczki DNA. Może mieć długość od kilku tysięcy do nawet dwóch milionów par nukleotydów. Odpowiada za wytworzenie konkretnego białka. Od obecności tego białka zależy pojawienie się cechy takiej jak grupa krwi czy kształt nasion grochu. Zwykle jednak dana cecha organizmu wyznaczana jest przez kilka genów.

Liczba genów w DNA zależy od organizmu. Najprostsze bakterie mają ich kilkaset, a zwierzęta kręgowe i rośliny naczyniowe – kilkadziesiąt tysięcy. Nie ma jednak prostej zależności między stopniem skomplikowania organizmu a liczbą genów.

Niektóre geny są aktywne we wszystkich komórkach. Należą do nich geny, które zawierają instrukcje tworzenia białek enzymatycznychenzymenzymatycznych. Białka te biorą udział w oddychaniu wewnątrzkomórkowym, które jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania każdej komórki. Proces ten zachodzi w sposób ciągły, dlatego wymaga stałej obecności genów zawierających szczegółowe informacje o budowie białek enzymatycznych.

Inne geny działają jedynie w wybranych zespołach komórek, np. geny kodujące hemoglobinę są aktywne tylko w niedojrzałych erytrocytach, a gen kodujący hormon wzrostu jest zdolny do działania tylko w komórkach przysadki mózgowej.

3. Powielenie nici DNA – replikacja DNA

Każda nowa komórka od początku swojego istnienia musi mieć komplet instrukcji działania, czyli własny DNA. Z tego powodu przed podziałem w komórce macierzystej musi dojść do podwojenia liczby cząsteczek tego kwasu. Proces powielenia nici DNA nazywa się replikacją DNAreplikacja DNAreplikacją DNA.

Podczas replikacji nici cząsteczki DNA ulegają rozpleceniu. Jest to możliwe dzięki specjalnym enzymom, które przecinają wiązania wodorowe i powodują rozerwanie par zasad azotowych. Następnie do każdej starej nici dobudowywana jest nowa nić zgodnie z regułą komplementarności:

• nukleotyd adeninowy tworzy parę z nukleotydem tyminowym;

• nukleotyd guaninowy tworzy parę z nukleotydem cytozynowym.

W ten sposób, w wyniku replikacji, z jednej macierzystej cząsteczki DNA powstają dwie cząsteczki potomne o identycznej budowie. Proces replikacji gwarantuje, że każda z komórek potomnych otrzyma taki sam materiał genetyczny, jaki występował w komórce macierzystej.

Podsumowanie

• Cząsteczka DNA jest zbudowana z nukleotydów i ma strukturę podwójnej helisy.

• Nukleotyd DNA jest zbudowany z cukru deoksyrybozy, reszty kwasu fosforowego i zasady azotowej.

• Zasady azotowe odpowiadających sobie nukleotydów obu nici łączą się ze sobą za pomocą wiązań wodorowych zgodnie z zasadą komplementarności.

• DNA jest materiałem genetycznym, będącym zapisem informacji o budowie i funkcjonowaniu organizmu.

• W procesie replikacji DNA powstają komplementarne nici DNA.

• Każda nić w podwójnej helisie DNA działa jako wzorzec (matryca) do syntezy nowej, komplementarnej nici.

• Replikacja DNA stanowi podstawę przekazywania informacji genetycznej do nowych komórek i pokoleń osobników.

• Z komórek owocu kiwi można wyizolować kompleksy utworzone przez wszystkie kwasy nukleinowe.

Praca domowa

Słownik

Zadania

11

Ćwiczenie 1

RoluMhlSs9vYD

Na schemacie przedstawiony jest model DNA. Jest to podwójna helisa. Widoczne są dwa fioletowe łańcuchy polinukleotydowe, które zawijają się i połączone są zielono‑niebiesko‑żółto‑pomarańczowymi zasadami. Cyfrą jeden oznaczono zasadę azotową, która tworzy parę z tyminą. Cyfrą dwa oznaczono część DNA tworzącą jego szkielet. Łączy ona resztę kwasu fosforowego z zasadami azotowymi. Cyfrą trzy oznaczono część tworzącą szkielet DNA, łączy ona ze sobą cząsteczki cukru. Również tworzy szkielet DNA.

RiWmSPidT3GSD

Rozpoznaj na ilustracji elementy oznaczone cyframi 1-3. Umieść ich nazwy w lukach. 1 - 1. adenina, 2. deoksyryboza, 3. reszta kwasu kwasu fosforowego
2 - 1. adenina, 2. deoksyryboza, 3. reszta kwasu kwasu fosforowego
3 - 1. adenina, 2. deoksyryboza, 3. reszta kwasu kwasu fosforowego
4 - cytozyna
5 - guanina

Rozpoznaj na ilustracji elementy oznaczone cyframi 1-3. Umieść ich nazwy w lukach. 1 - 1. adenina, 2. deoksyryboza, 3. reszta kwasu kwasu fosforowego
2 - 1. adenina, 2. deoksyryboza, 3. reszta kwasu kwasu fosforowego
3 - 1. adenina, 2. deoksyryboza, 3. reszta kwasu kwasu fosforowego
4 - cytozyna
5 - guanina