Генетический код. - Учительская газета

Интернет-проект
«Учительской газеты»
№8 от 28 сентября 2010 года
Информация
Елена КЛИМЕНКО, учитель биологии
МОУ «Гимназия №24»
города Калуги,
лауреат Всероссийского конкурса «Учитель
года
России-2009»,
кандидат
биологических наук
Тема урока:
Информация.
Предметная тема: Генетический код. Свойства генетического кода
Цель урока:
Изучить значение философской категории информация как основы существования и
развития биологических объектов. Выявить основные характеристики знаковых систем
передачи информации на примере наследственной информации и языка (письменности).
Задачи:
1. Изучить генетический код как знаковую систему передачи информации. Изучить
свойства генетического кода, провести аналогию между генетическим кодом и языком
как знаковой системой передачи информации.
2. Способствовать формированию у учащихся такого подхода к изучению предметов и
явлений, который предусматривает изучение их с разных точек зрения, основываясь
на методические приёмы различных наук.
3. Способствовать формированию способности проводить аналогии между предметами
и явлениями, выявлять общие закономерности и частные различия.
4. Помочь учащимся в выработке собственных мировоззренческих взглядов.
Оборудование: таблица генетического кода, модель ДНК
Ход урока.
1. Актуализация знаний
Цитата:
«Нить ДНК – это письмо, записанное с помощью алфавита химических соединений,
называемых нуклеотидами. Одна буква – один нуклеотид. Невероятно просто, даже не
верится, что код жизни записан символами, которые мы можем свободно прочитать…
Удивительно, как людям удалось постичь алфавит жизни?»
Мэтт Ридли [1].
Как вы думаете, прав ли автор приведённой цитаты, сравнивая генетический код и слово?
Учащиеся получают задание рассказать о том, как зашифрована информация в молекуле
ДНК (домашнее задание).
Информация в молекуле ДНК зашифрована 4 нуклеотидами: адениновым, гуаниновым,
цитозиновым и гуаниновым. Три подряд идущих нуклеотида несут информацию об одной
1
Интернет-проект
«Учительской газеты»
№8 от 28 сентября 2010 года
аминокислоте молекулы белка. Таких триплетов – 64. Три из них – знаки препинания.
Таким образом, 61 триплет кодирует 20 аминокислот молекулы белка.
2. Тема урока: Информация.
Свойства генетического кода.
Одной из самых интересных и сложных проблем в философии XX века стало изучение
феномена информации. Именно возможность и способы передачи информации может
служить фундаментальной основой для объединения гуманитарных и естественных наук.
По мнению философов «данная категория может послужить начальной точкой отсчета для
нахождения того самого единого основания бытия, над осмыслением которого столько
веков бились и бьются философы» (Болотова Е. А., 2005). Категория информации лежит в
основе диаметрально противоположных систем: в материализме и идеализме,
рационализме и иррационализме.
Сегодня на уроке мы проведем исследование двух на первый взгляд совершенно
независимых знаковых систем передачи информации: речи, языка и письменности, как
способа передачи социальной информации, накопленных человечеством знаний, и ДНК
генетического кода, как способа передачи наследственной информации.
На рубеже 1950-х и 1960-х гг. Фрэнсис Крик и его сотрудники выяснили
основные свойства генетического кода. Было доказано, что код
1.
Триплетный,
то
есть
одной
аминокислоте
соответствует
последовательность из трех нуклеотидов на мРНК. Эта тройка нуклеотидов была
названа кодоном. 61-смысловой, 3 – бесссмысловы, стоп-кодоны.
2. Вырожденный – большинство аминокислот кодируется более чем одним
кодоном.
3. Неперекрывающийся – конечный нуклеотид одного кодона не может
служить началом следующего.
4. Однозначен – каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.
5. Непрерывен – между кодонами нет промежутков.
6. Универсален – все живые организмы имеют один и тот же генетический код.
Сообщение учащегося «Как был открыт генетический код?»
Текст для сообщения.
М.Д. Франк-Каменецкий «Век ДНК», Москва, 2004.
«К 1961 году стало известно, что код триплетный, вырожденный и неперекрывающийся и
что он содержит инициирующие и терминирующие кодоны. Дело было за тем, чтобы установить
соответствие каждого аминокислотного остатка конкретным кодонам и узнать, какие кодоны
обозначают начало и конец синтеза белковой цепи. Для расшифровки генетического кода
необходимо было «только» прочесть параллельно два текста — ДНКовый (или РНКовый) текст
гена и аминокислотный текст соответствующего этому гену белка. Затем сличить эти два
текста — и дело сделано Вспомним, что именно так были когда-то расшифрованы египетские
письмена. Но беда в том, что если белковые последовательности к этому времени умели
расшифровывать, то ни последовательности ДНК, ни последовательности РНК читать не могли.
Поэтому пришлось пойти по иному пути. Представьте себе, что вместо Розеттского камня, на
котором один и тот же текст был написан египетскими иероглифами и по-гречески, откопали бы во
время наполеоновского похода в Египет живого древнего египтянина. Тогда не потребовался бы
гений Шампольона, чтобы составить французско-древнеегипетский словарь. Достаточно было
бы показывать египтянину различные предметы, а он рисовал бы соответствующие иероглифы.
Именно этим принципом дешифровки кода и воспользовались американские ученые из
Национального института здоровья М. Ниренберг и Дж. Матеи. Ведь клетки-то знают код!
Значит, надо предложить клеткам распознавать разные последовательности нуклеотидов, лишь
бы было точно известно, что это за последовательности. К этому времени как раз научились
синтезировать кое-какие искусственные РНК (но отнюдь еще не любые!). Но, конечно, живой
клетке предлагать такую РНК бесполезно — она ее просто-напросто съест, то есть расщепит до
2
Интернет-проект
«Учительской газеты»
№8 от 28 сентября 2010 года
отдельных нуклеотидов и использует их для строительства собственных РНК. Поэтому
Ниренберг и Маттеи использовали не живые клетки, а клеточные экстракты, которые
сохраняли способность синтезировать белок на РНК, но не содержали ферментов,
расщепляющих РНК. Эти экстракты не умели, разумеется, многого другого, что умеет
делать клетка, но важно лишь одно — они были способны синтезировать белок по
внесенной извне РНК. Такие экстракты назвали бесклеточной системой.
Ниренберг и Маттеи получили экстракт из кишечной палочки и добавили к нему
искусственную РНК, состоящую только из урацилов. Так бесклеточной системе был задан
первый вопрос: какой аминокислоте соответствует кодон УУУ? Ответ был однозначен: кодону
УУУ отвечает фенилаланин. Этот ответ, о котором Ниренберг сообщил на Международном
биохимическом конгрессе в Москве в 1961 г., произвел настоящую сенсацию. Путь к
расшифровке кода был открыт!
Очень быстро удалось сделать подобный перевод для многих аминокислот. Однако
определять последовательность нуклеотидов в искусственных мРНК было довольно трудно.
Затем ученые научились синтезировать короткие последовательности РНК и
определялась их соответствие определённым белкам.
К 1967 году расшифровка генетического кода была завершена Символ Тер обозначает
терминирующие кодоны. А где же инициирующие? Специальных инициирующих кодонов не
существует. Эту роль в определенных условиях играют кодоны АУГ и ГУГ, обычно
отвечающие аминокислотам метионину и валину».
3. Сравнение языка и генетического кода как знаковых систем передачи
информации.
Учащиеся делятся на 2 группы. Одна группа работает с выдержками из книги М. Д.
Франк-Каменецкого «Век ДНК», работает с выдержками из книги Бориса Медникова
«Аналогия (параллели между биологической и культурной эволюцией)». LITRU.RU Электронная Библиотека
1 группа.
Выявить сходство в передаче информации через ДНК и слово.
«Информация в ДНК записана в виде 64 триплетов, которые кодируют 20
аминокислот. Эти кодоны можно представить в виде букв.
Тогда мы сможем прочитать код так:
ГЛАЗАГОЛУБЫЕ.ВОЛОСЫРУСЫЕ.ХАРАКТЕРНОРДИЧЕСКИЙ.
Удивительными можно считать следующие факты: на одном и том же участке ДНК может
быть записана информация о двух белках.
Как же это может быть? Представьте себе, в руки вам попала книга, в которой промежутков
между словами нет, а слова разделяются стрелками. Сверху строк стоят одни стрелки, а внизу другие. Деля текст на слова с помощью верхних стрелок, и читали бы допустим «Анну
Каренину», а по нижним — Поднятую целину». Скажете, это невозможно? Действительно, такого
длинного текста, насколько я знаю, не существует. Но короткий текст такого типа я помню с
детства. Вот он:
НАПОЛЕОНКОСИЛТРАВУПОЛЯКИПЕЛИСОЛОВЬЯМИ.
Мы видим, что последовательность гена Е находится целиком внутри последовательности
гена В. При этом последовательности аминокислот белков Е и В не имеют между собой ничего
общего так как они считываются со сдвигом рамки считывания. В этом ситуация в ДНК ФХ174
неожиданней и интересней, чем приведенный выше лингвистический пример. Ясно, что
теоретически возможна запись на одном и том же участке ДНК, как максимум информации о трех
белках. Такое перекрывание сразу трех генов правда, на небольшом участке, происходит в фаге G4.
3
Интернет-проект
«Учительской газеты»
№8 от 28 сентября 2010 года
Хотя явление перекрывания генов было открыто еще в 1977 г., до сих пор нет никаких
вразумительных объяснений, как такое могло получиться в ходе эволюции. Если не считать этого
удивительного феномена, то в остальном расшифровка первых вирусных последовательностей
подтвердила ранее установленные факты. Была проведена проверка правильности расшифровки
генетического кода путем прямого сопоставление последовательностей ДНК и белков. Оказалось,
что код рас шифрован без единой ошибки….
…Кресты и перевёртыши.
Кресты возникают для снятия сверхспирализации в участках с последовательностямиперевёртышами.
ИСКАТЬТАКСИ
НАЖАЛКАБАННАБАКЛАЖАН
РИСЛИНГСГНИЛСИР
В ДНК чаще встречаются перевёртыши, которые читаются одинаково в каждой из цепей в
противоположном направлении.
ГААТТЦ
ЦТТААГ
Свойство ДНКовых перевёртышей состоит в том, что они могут образовывать
крестообразные структуры. Чем длиннее перевёртыш и сильнее сверхспирализация, тем выше
вероятность образования крестов (может возрастать в миллионы миллиардов раз)».
2-я группа
Выделите 5 сходных черт ДНК и языка как каналов передачи информации.
«Для человечества 2 класса информации имеют первостепенное значение.
1. Канал генетической информации – от последовательности нуклеотидов
к
последовательности аминокислот в белке и к признаку организма.
Этот канал присущ всей живой природе, возник вместе с жизнью. Он и отличает живое от
неживого.
2. Канал возник вместе с человеком и присущ только человеку. Он отличает человеческое
общество от популяций животных. Это язык и его производные – письменность и другие
определяемые им явления человеческой культуры.
- В ДНК для передачи информации существует особый шифр – генетический код
(последовательная запись нуклеотидов). В языке для передачи информации существует
последовательность звуков. Эти шифры могут передаваться из поколения к поколению
последовательно копируясь
- В генетическом канале информации материальный носитель информации – ДНК. В ДНК
закодирована информация лишь об аминокислотном составе белков, очерёдности и
интенсивности их синтеза. Ген не является признаком, он несет информацию о признаке. Т.
е. нет гена «голубых глаз», как мы привыкли говорить, всё реализуется через белок.
В лингвистическом канале информации материальным носителем является звук, реализация
происходит через слова и предложения. Звучание слов не связано с вкладываемым в них
смыслом (как ген не является признаком). С помощью слов можно закодировать сколько
угодно информации! Из поколения в поколение накапливаются изменения – новые слова,
знания, мифы и т. д. Они подвергаются действию внешней среды – в данном случае – условия,
в которых существует популяция, включая отношения! Произвольность знаков – звучание
слова не связано со смыслом, об этом можно договориться, так же, как и ген не является
признаком.
4
Интернет-проект
«Учительской газеты»
№8 от 28 сентября 2010 года
- В зависимости от необходимости в развитом языке слова могут комбинироваться в сколь
угодно длинные предложения и их сочетания, так же, как и гены в молекулах ДНК. Это
свойство открытости информационных систем.
- В языке происходит неизбежное накопление случайных ошибок. Изменяется написание
слов, меняются ударения. В ДНК происходят изменения слов – генов (так же своего рода
ошибки). Эти изменения называют мутациями.
- Все человеческие языки построены со значительной
избыточностью – в случае
безызбыточности каждая случайная комбинация букв значила бы новое слово. Тогда
невозможно было бы пользоваться – 1 ошибка в слове аспирин – получается стрихнин.
В ДНК есть структурные гены – корни слова, они приобретают смысл при взаимодействии со
вспомогательными последовательностями (как артикли, приставки, суффиксы)
- У живых организмов – процесс получения новых комбинаций текстов, а следовательно и
новых, не похожих на другие организмов – слияние генетической информации при
оплодотворении., в языке – новые идеи рождаются на стыке наук, т. е. в головах людей,
получивших информацию как минимум из двух источников. Новые образы, методы,
технологии, как правило – результат рекомбинантных процессов.
Отличие все-таки есть – язык произносится и должен быть удобен в произношении!
Этого не надо для ДНК.
Процессы, происходящие в ДНК и в языке вызваны к жизни и развиваются согласно общим
закономерностям, следовательно, феномен, обнаруженный в одном информационном канале
вероятен и в другом!!
Английский теоретик Р. Докинз – ввёл понятие мемы (memes) устойчивые элементы
культурной деятельности человека (слова, жесты, мелодии, навыки….). Мемофонд
цивилизации аналогичен генофонду биологической популяции. Случайно изменяясь при
передаче из поколения в поколение и образуя разные сочетания, мемы участвуют в культурной
эволюции.!!!»
Вывод (учащиеся формулируют сами): ДНК и язык – знаковые системы передачи
информации. Эти системы развиваются по сходным законам. Информация,
накопленная цивилизацией, передается посредством языка так же, как и
информация, накопленная в процессе эволюции живых организмов.
Домашнее задание:
Для увлекающихся математикой, физикой, информатикой: сравнить генетическую
информацию и языки программирования.
Для детей гуманитарного склада: написать эссе на тему «Значение генетического кода для
развития природы и письменности для развития общества. Нужно ли проводить
аналогии?»
Список использованной литературы:
1. Ридли М. Геном: автобиография в 23 главах. – М.: Эксмо, 2009. – 432с.: ил.
5
Интернет-проект
«Учительской газеты»
№8 от 28 сентября 2010 года
2. Болотова Е. А. Информация как философская категория: онтологические и
гносеологические аспекты. Дис. ... канд. филос. наук : 09.00.01 Краснодар, 2005 127
с. РГБ ОД, 61:06-9/116
3. Франк-Каменецкий М. Д. Век ДНК – М.: КДУ, 2004. – 240с.: ил.
4. Борис Медников Аналогия (параллели между биологической и культурной
эволюцией). - LITRU.RU – Электронная библиотека
5. МакКонки Э Геном человека. – М.: Техносфера, 2008. – 288 с.: ил.
6