Глава 9. ДВИЖЕНИЕ

Оборудование: торс человека, таблицы, фото- или видеоматериалы, демон­стрирующие роль плечевого пояса в движениях руки.

Мышца	Начало	Прикрепление	Функция
1	2	3	4
Дельтовид­ная мышца	От латеральной тре­ти ключицы, затем от акромиона и от ости лопатки на всем протяжении	Дельтовидная буг­ристость плечевой кости	Передние пучки мышцы, сокращаясь, принимают учас­тие в сгибании руки в плечевом суставе; задние в ее раз­гибании; средние и вся мышца в целом отводят руку до горизонтального положения.
Надостная мышца	Надостная ямка ло­патки	Верхушка боль­шого бугорка пле­чевой кости	Синергист дельтовид­ной мышцы

Продолжение

1	2	3	4
Подостная мышца	Подостная ямка ло­патки	Большой бугорок плечевой кости	Вращает плечо на­ружу
Малая круг­лая мышца	Латеральный кран лопатки	Большой бугорок плечевой кости	Вращает плечо на­ружу
Большая круглая мышца	Нижний угол лопат­ки	Гребень малого бугорка плечевой кости	Вращает плечо внутрь
Подлопаточ­ная мышца	Реберная поверх­ность лопатки	Малый бугорок плечевой кости	Вращает плечо внутрь

Можно организовать проведение самонаблюдения работы основных мышц, роли плечевого пояса в движении руки.

Ход работы

1. В положении сидя найдите нижний угол левой лопатки. Отведите левую руку в сторону до горизонтального уровня. Происходит ли смещение лопатки?
2. Продолжите движение руки до верхнего вертикального положения. Про­исходит ли смещение лопатки?
3. Положите руку на левую ключицу и повторите движение. В каком случае происходит движение ключицы?

Вывод. Какова роль плечевого пояса в движении руки?

Цель: исследовать зависимость работы от частоты мышечных сокращений.

Оборудование: секундомер, груз массой 1,5 и 3 кг, кистевой силомер.

Ход работы

Чтобы исследовать различие между статической и динамической работой, необ­ходимо поставить два опыта, связанных со статической и динамической нагрузкой.

Так как в опытах могут участвовать один или множество испытуемых, для того чтобы исключить влияние исходных физических данных, в случае если испытуемых несколько, измеряется сила каждого из них с помощью кистевого силомера. Если же испытуемый один, то это измерение можно не проводить.

Опыт 1. Утомление при статической работе.

1. Испытуемый берет груз массой 1,5 кг и держит его в руке, отведенной в сторону под прямым углом к туловищу.
2. На уровне вытянутой руки делается отметка мелом на доске и включается секундомер.
3. Наблюдаются отклонения руки от отметки, фиксируется, за какое время произошло утомление мышц.
4. Испытуемый берет груз массой 3 кг. Пункты 2 и 3 повторяются для опыта с весом в 3 кг.

Опыт 2. Утомление при динамической работе.

• Испытуемый поднимает тот же груз (1,5 кг, 3 кг) до сделанной метки.
• Испытуемый может делать движения рукой (опускать или поднимать ее) в удобном для него темпе.
• Утомление считается достигнутым, когда испытуемый не сможет зафик­сировать руку на отметке в течение 3 с.
• Наблюдайте, за какое время произойдет утомление.
• Результаты обоих опытов оформляются в виде таблицы.

№ или ФИ	Сила КИСТИ	Статическая нагрузка		Динамическая нагрузка
		1,5 кг время в с	3 кг время в с	1,5 кг время в с	3 кг время в с

Количество строк равно количеству участников эксперимента.

Сделайте общий вывод о том, как тип нагрузки влияет на развитие утомле­ния мышц.

Глава 10. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

§ 29. Принципы строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты

Цели изучения этой темы’, описывать строение двойной спирали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты; моделировать молекулу дезоксирибону­клеиновой кислоты на основе принципов ее строения.

Что такое ДНК? Кто открыл ее структуру? Для чего нужна эта молекула? Как она выглядит?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 14, 48, 49 — учебник для 7 класса, § 50 — учебник для 8 класса.

Нуклеиновые кислоты — это нерегулярные биополимеры, мономе­ром которых является нуклеотид. Нуклеотид состоит из трех различных типов веществ: азотистого основания, пятиуглеродного сахара и остатка фосфорной кислоты.

Компоненты нуклеотида: азотистые основания, пятиуглеродный са­хар и фосфорная кислота — связаны между собой химически прочной ковалентной полярной связью.

1. Азотистые основания — это сложные химические вещества цик­лической природы, в состав которых, кроме углерода, обязательно вхо­дит азот. В нуклеиновых кислотах присутствуют пять типов азотистых оснований. Их принято обозначать начальными заглавными буквами: А — аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин, Т — тимин, У — урацил.

Все азотистые основания подразделяются на две большие группы по количеству содержащихся в них кольцевых молекул (рис. 44А). Пирими­дины состоят из одной кольцевой молекулы. Это тимин, цитозин и ура­цил. Пурины имеют в своем составе два кольца: шестиуглеродное и пяти­углеродное. К пуринам относятся аденин и гуанин (рис. 44А).

2. Пятиуглеродные сахара (моносахара) — это пентоза, в ДНК — де­зоксирибоза С₄Н₁₀О₄, а в РНК рибоза C₅H₁₀O₅ (рис. 44Б).
3. Фосфорная кислота. Ее формула — Н₃РО₄. В состав нуклеотида входит остаток фосфорной кислоты, потерявший водород.

В нуклеотиде происходит соединение пятиуглеродного сахара с азоти­стым основанием и с фосфорной кислотой. Все нуклеотиды ДНК имеют одинаковые остатки фосфорной кислоты и углевод — дезоксирибозу. Но они отличаются друг от друга типом азотистых оснований. Нуклеотиды ДНК могут содержать только четыре из них: А, Т, Г, Ц. Урацил (У) со­держится только в РНК. Но в РНК никогда не содержится тимин (Т).

Молекула ДПК по своей структуре представляет собой двойную спи­раль, нити которой закручены вправо вокруг друг друга и вокруг об­щей оси (рис. 45). Следовательно, ДНК как единая молекула состоит из двух цепей, или нитей. Соединение нуклеотидов в одной цепи проис­ходит между дезоксирибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого. В результате образуется полимерная цепь. Азотистые основания нуклеотидов каждой цепи обращены внутрь спирали. Они связываются с азотистыми основаниями противоположной, второй цепи двуспиральной молекулы ДНК. А дезоксирибоза и фосфорная кислота образуют так называемый сахарофосфатный остов, или мостик. Связь внутри сахарофосфатного мостика каждой цепи ковалентная полярная. Она образуется между атомами углерода дезоксирибозы и фосфора кислоты через кислород. Поэтому ее часто называют фосфодиэфирной.

Таким образом, ДПК представляет собой двойную спираль, наружу которой обращены сахарофосфатные мостики, а внутрь — азотистые основания. Меж­ду цепями ДНК возникают водородные связи (рис. 46). Причем азотистые ос­нования нуклеотидов могут образовы­вать водородные связи только в строго определенной последовательности. Эта особенность называется правилом (прин­ципом) комплементарности. Согласно данному принципу тимин может свя­зываться только с аденином, а гуанин — только с цитозином. Возникновение водородной связи аденина с цитозином или гуанином химически невоз­можно. Поэтому говорят, что адениновый нуклеотид комплементарен тиминовому, а гуаниновый — цитозиновому. Противоположные цепи молекулы ДНК называются комплементарными цепями. Чаще говорят о комплементарных парах АТ и ГЦ. Причем между ГЦ всегда возникает тройная водородная связь, а между АТ — двойная.

Благодаря принципу комплементарности можно выяснить два обстоя­тельства:

• достроить целую молекулу ДНК, состоящую из двух цепей, если известна последовательность нуклеотидов в одной цепи. Выставляя на­против аденина тимин, и наоборот; а напротив гуанина цитозин, и наобо­рот, можно достроить комплементарную цепь;
• рассчитать процент содержания азотистых оснований, если из­вестно одно из них. Так, например, если аденина в ДНК содержится 10%, следовательно, и комплементарного тимина тоже будет 10%. Оставшиеся 80% приходятся на цитозин и гуанин. Следовательно, ци­тозина и гуанина — по 40%. Если процент комплементарного нуклеотида неизвестен, не нужно делать вычислений. Его будет столько же. Если необходимо вычислить процент некомплементарного нуклеотида, достаточно отнять известный процент от 50. Если аденина 10% , то и гуанин, и цитозин можно найти, отняв 10% от 50%. Получим тот же верный ответ — 40%.

В норме спираль ДНК закручена вправо. Один ее виток называется шагом спирали. Каждый оборот, или шаг, включает в себя 10 пар нуклеотидов. Расстояние между парами комплементарных нуклеотидов составляет 0,34 нм. Соответственно расстояние между витками равно 3,4 нм. Ширина спирали составляет около 2 нм (см. рис 45). Длина ДНК зависит от количества нуклеотидов, а оно сильно варьирует в зависимости от вида организма. Так, у мелкого вируса оно составляет 5100. У кишечной палочки (бактерии) — 4 млн. У человека в гаплоидном наборе (23 хро­мосомы) содержится в среднем до 2 900 000 000, или 3  10⁹ пар оснований.

Теперь, если проделать несложные вычисления и попытаться рассчитать длину та­кой ДНК, получится довольно внушительное расстояние. Умножим 2 900 000 000 на расстояние между нуклеотидами — 0,34 нм. Получится расстояние около 1 см. Чтобы такая длинная молекула ДНК поместилась внутри одной микроскопической клетки, она должна находиться в хромосомах в скрученном «сверхспирализован- ном» состоянии.

Упрощенно можно представить себе ДНК внутри хромосомы в виде нитки, на­мотанной на катушку (белки). Но это не совсем так, ведь ДНК не вся «намотана» на одну «катушку» Части молекулы скручены небольшими блоками. А роль «ка­тушек» и «шпилек», удерживающих ДНК, выполняют специальные гистоновые и негистоновые белки. Поэтому химически хромосомы представляют собой не только ДНК, но и белки, т. е. они состоят из нуклеопротеидов (хроматина) — со­единений белков и нуклеиновых кислот. При этом функцию хранения и переда­чи потомству наследственной информации в хромосомах выполняют только ДНК, а белки позволяют удерживать форму хромосом и, по некоторым данным, участву­ют в регуляции генной активности.

В целом соподчинение химических компонентов ДНК и хромосом можно пред­ставить в виде следующей схемы.

Схема 3

Знание и понимание

1. Что является мономером нуклеиновых кис­лот? Какая часть мономера отличает один нуклеотид ДНК от другого?
2. Опишите, как выглядит молекула ДНК. Ка­кую форму она имеет?

Применение

1. Определите связь между типами нуклеоти­дов, их азотистых оснований и принципом комплементарности.
2. По рисунку расскажите о типах химических связей в молекуле ДНК, ее компонентах и размерах.

Анализ

1. Изобразите в виде схемы молекулу ДНК, указав ее компоненты:

1. дезоксирибоза;
2. остатки фосфорной кислоты;
3. аденин;
4. тимин;
5. гуанин;
6. цитозин;
7. фосфодиэфирная связь;
8. ковалентная полярная связь;
9. двойная водородная связь;
10. тройная водородная связь.

2. Покажите разницу между типами нуклеотидов и типами азотистых оснований в них. Проанализируйте и установите зависимость типа во­дородной связи от пары комплементарного азотистого основания.

Синтез

  Моделирование № 4. Составление молекулы дезоксирибонуклеиновой  кислоты.

1. Составьте схему, «достроив» комплементарную цепь ДНК: а) АТТГЦГГЦТ;
2. ЦГТТЛГЛЦТ;
3. ГЦАТГГЦЦА;
4. ТТГАЦГЦТА;
5. ТЦЛГАТАЦГ.

• Смоделируйте ситуацию. Вам известен процент одного из типов азо­тистого основания в конкретной молекуле ДНК. Возможно ли рассчи­тать процент всех остальных оснований, если известно, что:
• А 42%;
• Т-28%;
• Ц-36%;
• Г-12%;
• Г — 8%?

Оценка

1. Оцените эволюционное значение принципа комплементарности. По­чему ученые вплоть до второй половины XX в. считали носителем наследственной информации белки, а не ДНК? Предположите, на чем основывалось такое мнение.
2. Обсудите, можно ли представить себе организм, хромосомы которого состояли бы только из ДНК, а не из нуклеопротеидов. Ответ обоснуйте.