Как сделать модель днк из обычных материалов. Как сделать модель днк из обычных материалов Создание модели из пенопластовых шариков

23.07.2023

Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.

Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K"NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. 1.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.

Данная модель собрана на основе набора K"NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.knex.com).

Рис. 1.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза)

Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://c3.biomath.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html

По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.

Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона-Крика.

При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам.

Кодоны

Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген - последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки.

Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно.

♦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буква ми А, Т, Ц и Г.

♦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тиминна урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК.

Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка?

♦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты.

♦ Если бы два нуклеотидных основания совместно зада вали одну аминокислоту, выходило бы 4 2 = 16 аминокислот.

♦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 4 3 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно. Таким образом, кодон должен представлять собой триплет - три идущих вместе основания.

Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика.

Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.

Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодона-ми и аминокислотами.

В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [трансляцию] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК.

	У	Ц	А	Г
У	УУУ = фен УУЦ = фен УУА = лей УУГ = лей	УЦУ = сер УЦЦ = сер УЦА = сер УЦГ = сер	УАУ = тир УАЦ = тир УАА = стоп УАГ = стоп	УГУ = цис УГЦ = цис УГА = стоп УГЦ = трп	У Ц А Г
Ц	ЦУУ = лей ЦУЦ = лей ЦУА = лей ЦУГ = лей	ЦЦУ =про ЦЦЦ = про ЦЦА = про ЦЦГ = про	ЦАУ = хиз ЦАЦ = хиз ЦЦА = глн ЦАГ = глн	ЦГУ = арг ЦГЦ = арг ЦГА = арг ЦГГ = арг	У Ц А Г
A	АУУ = иле АУЦ = иле АУА = иле АУГ = мет	АЦУ = тре АЦЦ = тре АЦА = тре АЦГ = тре	ААУ = асн ААЦ = асн ААА = лиз ААГ = лиз	АГУ = сер АГЦ = сер АГА = арг АГГ = арг	У Ц А Г
Г	ГУУ = вал ГУЦ = вал ГУА = вал ГУГ = вал	ГЦУ = ала ГЦЦ = ала ГЦА = ала ГЦГ = ала	ГАУ - асп ГАЦ = асп ГАА = гл ГАГ = глу	ГГУ = гли ГЦЦ = гли ГГА = гли ГГГ - гли	У Ц А Г

Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании.

СТАРТ		АУГ,	ГУГ	Лей	УУА,	УУГ,
ЦУУ,	ЦУЦ,
ЦУА,	ЦУГ
Ала	ГЦУ, ГЦЦ,	ГЦА, ГЦГ	Лиз	ААА,	ААГ
Apr	ЦГУ, ЦГЦ,	ЦГА, ЦГГ,	Мет	АУГ
	АГА, АГГ
Асн	ААУ, ААЦ		Фен	УУУ,	УУЦ
Асп	ГАУ, ГАЦ		Про	ЦЦУ,	ЦЦЦ,	ЦЦА,	ццг
Цис	УГУ, УГЦ		Сер	УЦУ,	УЦЦ,	УЦА,	УЦГ,
				АГУ,	АГЦ
Глн	ЦАА, ЦАГ		Тре	АЦУ,	АЦЦ,	АЦА,	АЦГ
Глу	ГАА, ГАГ		Три	УГГ
Гли	ГГУ, ГГЦ,	ГГА, ГГГ	Тип	УАУ,	УАЦ
Хиз	ЦАУ, ЦАЦ		Вал	ГУУ,	ГУЦ,	ГУА,	ГУ1
Иле	АУУ, АУЦ,	АУА	СТОП	УАГ,	УГА,	УАА

М ногие, наверняка знают, как легко и просто реплицировать часть собственной ДНК. Процесс нехитрый по сути. Зато сколько потом восторженных сюсюканий из серии “ах, как он/она похож(а) на папу/маму!”. Однако, задача сильно усложняется, когда нужно создать некую абстрактную модель ДНК у себя на столе из подручных материалов.

Нафига это мне понадобилось, спросите? Очень просто. У дочери в школе есть предмет аналогичный “биологии” в российских школах. Соответственно, ученикам задали домашний проект, который включает в себя не только получение теоретических знаний о строении ДНК, но и создание модели оной. C этой моделью потом нужно выступать перед учителем и классом, рассказывая, что там в ней и как.

Вообще, это будет не совсем “мой” пост. Он, скорее посвящен дочери. Хотя я и принимал некоторое участие в процессе, в основном это участие сводилось к консалтингу… Однако, вдруг кому будет интересно или, вдруг у кого ребенку в школе зададут сделать аналогичную шнягу. Вот и руководство готовое получится.

Согласно условиям задачи, модель должна удовлетворять определенным требованиям. Интересно, что ученик сам может выбрать, какие условия он выполнит. Каждый пункт презентации “весит” определенное количество зачетных баллов. Соответственно, можно пойти по простому пути и набрать некий минимальный проходной балл или попробовать реализовать “программу максимум”.

Исходная постановка задачи:

Так же, как следует из задачи, это не обязательно должна быть именно модель. Это может быть что угодно – от книжки с рассказом до пазла. Главное, чтобы это имело некое физическое представление. Отдельно отмечено, что, если ученик решит делать именно модель, то запрещается использовать готовый магазинный набор. Типа такого , например.

Дочь решила делать модель и постараться настрелять максимальное число баллов. ОК.

Начали с компьютерной модели… Я на самом деле – не настоящий сварщик. Ну, т.е., в общих чертах знаю, что такое ДНК, из чего она состоит и как её принято изображать. Не более того. Поэтому уже с самых первых шагов, инициативу перехватила дочь. Она смогла растолковать мне что из чего состоит и что к чему прикрепляется.

Вышло что-то вроде такого:

Когда стало понятно. какие запчасти нам понадобятся, отправились по магазинам.Понадобится: пенопластовые шарики двух размеров, деревянные прутки, краска, клей и кусочек MDF для подставки.

Ах, да… Еще обязательно понадобится Пес:

Если честно, я сам не очень понимаю за каким хреном нужен Пес, но зато у него самого уверенности в этом хватило на нас всех. На самом деле, он только мешался… Но может быть я просто что-то недопонял.

Пенопластовые шарики были куплены в “долларом” магазине. В разделе “все для вечеринок”. Даже не хочу пытаться понять, как в контексте вечеринки могут быть использованы пенопластовые шарики. Но хорошо, что они нашлись. Это был у нас самый проблематичный момент. Нужно было найти такие шарики, которые было бы легко обрабатывать. Например, стеклянные шарики не подойдут – запаришся сверлить. Деревянные… В принципе, подошли бы. Для меня. Но работать предстояло дочери и я сомневался, что она вот так сходу сможет ровно продырявить деревянный шарик ручной дрелью. Половину запорет с непривычки. А они достаточно дорогие. Нужен был более мягкий и дешевый материал. Пенопласт подошел просто идеально.

Деревянные рейки были куплены в магазине стройматериалов. Эти прутки – более тонкие собратья тех, что я использовал для декорирования кровати и тумбочек . С этим проблем не было. Они всегда есть в большом многообразии во всех строительных магазинах.

Краски/клей – тривиально. Взяли обычную краску в аэрозоле. Сперва попробовали на одном из шариков – краска пенопласт не съела. Соответственно купили нужное количество цветов. Клей – обычный ПВА.

Кусок MDF-панели для подставки у меня уже был в загашнике. Можно приступать к работе.

Сперва подставка. Дочь прислушалась к моему совету и распечатала на принтере шаблон, который приклеила на кусок MDF:

Её вариант был – найти блюдце подходящего диаметра и обрисовать по нему окружность. Но я смог её убедить, что такой путь – не путь самурая. Кому, как не мне знать, что у нас в хозяйстве нет блюдец подходящего диаметра с ровной кромкой – все с волнистым краем. Плавали уже – знаем:-)

На удивление ровно вырезала. Я даже прифигел слегка…

Незначительные неровности по краю она убрала на шлифмашинке:

Чтобы придать эстетизьму подставке, её кромка была обработана на фрезе:

Получился вот такой диск:

Ну и отверстие по центру, в которое будет вставлена модель:

Далее предстояла сама занудная операция. Нужно было взять пенопластовый шарик и просверлить в нем два сквозных отверстия крест накрест. Через первое отверстие такой шарик насаживается на общую ось, в другое отверстие, с обоих его концов втыкаются поперечные палочки. Таких шариков нужно было сделать десять штук:

Труднее всего было мне. Вы не представляете себе, какая это пытка – стоять и смотреть. Вместо того, чтобы самому схватить дремель и быстро насверлить все за пару минут. Дочь управилась где-то за пол часа… Неспешная методичность с которой она все это проделывала – просто убивала меня:-)

Полученный результат она назвала шашлыком:

Теперь в шашлык предстояло напихать поперечные палочки. Они были нарезаны все из того же деревянного прутка, что и центральная ось:

Опять же, она хотела резать палочки ножовкой, но мне удалось убедить её, что отрезной диск и дремель – гораздо быстрее.

Следующий этап: взять полученные палочки:

… и напихать их в полученный ранее шашлык:

Это нужно было для того, чтобы приклеить центральные шарики (кстати, это вам не фигня какая, а самые настоящие водородные связи) с общей палке. На фото можно увидеть, что к основанию прицеплен очередной шаблон на котором размечены сегменты. Поперечины втыкаются в шарик, на центральную ось наносится клей, шарик выставляется на нужной высоте и поворачивается вдоль нужного сектора разметки. Т.е. на данном этапе, поперечины помогают позиционировать центральный шарик с нужным углом поворота. Повторить десять раз:

После этого, поперечины можно вынуть и отправить запчасти в покраску:

Как все высохло, приступили к финишной сборке.

На каждую поперечную палочку прицеплялась деоксирибоза… Кажется… Deoxyribose в оригинале. Пес его знает, что это… Не важно. Главное, что дочь знает, что это. Ей перед учителем презентуху толкать, а не мне:-)

Сами эти шарики должны быть белыми, поэтому красить их не пришлось:

Долгий и кропотливый процесс сборки модели:

Осталось добавить только фосфатные цепочки (phosphates). Насколько мы поняли, их и принято изображать в виде той самой, узнаваемой двойной спирали.

Из плотной толстой бумаги серебристого цвета были выкроены две ленты:

Эти полоски клеятся к вершинам крайних шариков на модели. Вот так:

На этом этапе я впервые принял личное участие. Двух рук оказалось недостаточно. Надо, чтобы кто-то один держал и направлял полоски, а второй – мазал клеем и прижимал.

Худо-бедно мы с этой процедурой управились, получив в итоге, желаемую модель:

Согласно условиям задачи, нужно было так же, обозначить все запчасти. Решили ограничиться прилепливанием легенды к подставке. Как назло, кончились цветные чернила в принтере. Поэтому пришлось напечатать ч/б вариант и раскрасить его фломастерами:

Ламинация тоже не прошла с первого раза. Агрегат сжевал две этикетки, прежде чем нормально сделал третью:

Не знаю в чем дело было. Я уже сто раз пользовался этим агрегатом и ни разу до этого он ничего не жевал… Так или иначе, свою этикетку мы получили:

Модель готова:

Теперь дочери надо вызубрить устную часть презентации. Но с этим я уже помочь ей никак не могу. Надеюсь справится сама. Еще неделя у нее есть на зубрежку теоретической части. Напишу потом, как отсрелялась с проектом..

Исходная постановка задачи:

Дочь решила делать модель и постараться настрелять максимальное число баллов. ОК.

Вышло что-то вроде такого:

Ах, да… Еще обязательно понадобится Пес:

Кусок MDF-панели для подставки у меня уже был в загашнике. Можно приступать к работе.

На удивление ровно вырезала. Я даже прифигел слегка…

Незначительные неровности по краю она убрала на шлифмашинке:

Чтобы придать эстетизьму подставке, её кромка была обработана на фрезе:

Получился вот такой диск:

Ну и отверстие по центру, в которое будет вставлена модель:

Полученный результат она назвала шашлыком:

Следующий этап: взять полученные палочки:

… и напихать их в полученный ранее шашлык:

После этого, поперечины можно вынуть и отправить запчасти в покраску:

Как все высохло, приступили к финишной сборке.

Сами эти шарики должны быть белыми, поэтому красить их не пришлось:

Долгий и кропотливый процесс сборки модели:

Из плотной толстой бумаги серебристого цвета были выкроены две ленты:

Эти полоски клеятся к вершинам крайних шариков на модели. Вот так:

Худо-бедно мы с этой процедурой управились, получив в итоге, желаемую модель:

Ламинация тоже не прошла с первого раза. Агрегат сжевал две этикетки, прежде чем нормально сделал третью:

Модель готова:

Выберите сорт конфет. Чтобы сделать боковые нити из сахара и групп фосфатов, используйте полые полоски черной и красной лакрицы. В качестве азотистых оснований возьмите конфеты "мармеладные мишки" четырех разных цветов.

Какие конфеты бы вы ни использовали, они должны быть достаточно мягкими, чтобы их можно было проткнуть зубочисткой.
Если у вас под рукой есть цветной зефир, он будет прекрасной альтернативой мармеладным мишкам.

Приготовьте остальные материалы. Возьмите веревку и зубочистки, которые вы используете при создания модели. Веревку нужно будет нарезать на куски длиной около 30 сантиметров, но вы можете сделать их длиннее или короче - в зависимости от выбранной вами длины модели ДНК.

Чтобы создать двойную спираль, используйте два куска веревки одинаковой длины.
Убедитесь, что у вас есть хотя бы 10-12 зубочисток, хотя вам может понадобиться немного больше или меньше - опять же в зависимости от размера вашей модели.

Нарежьте лакрицу. Вы будете вешать лакрицу, поочередно меняя ее цвет, длина кусков должна составлять 2,5 сантиметра.

Разберите мармеладных мишек по парам. В нити ДНК в парах расположены цитозин и гуанин (Ц и Г), а также тимин и аденин (Т и А). Выберите мармеладных мишек четырех различных цветов - они будут представлять разные азотистые основания.

Не важно, в какой последовательности располагается пара Ц-Г или Г-Ц, главное другое - чтобы в паре были именно эти основания.
Не делайте пары с несоответствующими цветами. Например, нельзя объединять Т-Г или А-Ц.
Выбор цветов может быть абсолютно произвольным, он полностью зависит от личных предпочтений.

Повесьте лакрицу. Возьмите два куска веревки и завяжите каждую в нижней части, чтобы предотвратить соскальзывание лакрицы. Затем нанизывайте на веревку сквозь центральные пустоты кусочки лакрицы чередующихся цветов.

Два цвета лакрицы символизируют сахар и фосфат, которые образуют нити двойной спирали.
Выберите один цвет, который будет сахаром, ваши мармеладные мишки будут прикрепляться к лакрице именно этого цвета.
Убедитесь, что на обеих нитях кусочки лакрицы расположены в одинаковом порядке. Если вы положите их рядом, то цвета на обеих нитях должны совпасть.
Завяжите другой узел на обоих концах веревки сразу после того, как вы закончите нанизывать лакрицу.

Прикрепите мармеладных мишек с помощью зубочисток. Как только вы распределили по парам всех мишек, получив группы Ц-Г и Т-А, воспользуйтесь зубочисткой и прикрепите по одному мишке из каждой группы на оба кончика зубочисток.

Протолкните мармеладных мишек на зубочистку так, чтобы торчало хотя бы полсантиметра острой части зубочистки.
У вас может получиться больше одних пар, чем других. Количество пар в реальной ДНК определяет различия и изменения генов, которые они образуют.

Сегодня мы проведем урок не только лепки, но и химии, и слепим модели молекул из пластилина. Пластилиновые шарики можно представить, как атомы, а показать структурные связи помогут обычные спички или зубочистки. Таким методом могут пользоваться учителя при объяснении нового материала по химии, родители – при проверке и изучении домашнего задания и сами дети, интересующиеся предметом. Более легкого и доступного способа создать наглядный материал для мысленной визуализации микрообъектов, пожалуй, не найти.

Здесь представлены представители мира органической и неорганической химии в качестве примера. По аналогии с ними могут быть выполнены и другие структуры, главное – разбираться во всем этом многообразии.

Материалы для работы:

пластилин двух или более цветов;
структурные формулы молекул из учебника (при необходимости);
спички или зубочистки.

1. Подготовьте пластилин для лепки шарообразных атомов, из которых будут складываться молекулы, а также спички – для представления связей между ними. Естественно, лучше показывать атомы разного сорта другим цветом, чтобы было понятнее представить себе конкретный объект микромира.

2. Чтобы сделать шарики, отщипните необходимое количество порций пластилина, разомните в руках и скатайте фигурки в ладонях. Для лепки органических молекул углеводородов можно использовать красные шарики большего размера – это будет углерод, и синие меньшего – водород.

3. Чтобы слепить молекулу метана, вставьте в красный шарик четыре спички так, чтобы они были устремлены к вершинам тетраэдра.

4. Наденьте на свободные концы спичек синие шарики. Молекула природного газа готова.

5. Подготовьте две одинаковых молекулы, чтобы объяснить ребенку, как можно получить молекулу следующего представителя углеводородов – этана.

6. Соедините две модели, убрав одну спичку и два синих шарика. Этан готов.

7. Далее продолжите увлекательное занятие и объясните, как происходит образование кратной связи. Уберите два синих шарика, а связь между углеродами сделайте двойной. Подобным образом можно слепить все необходимые для занятия молекулы углеводородов.

8. Такой же способ подойдет и для лепки молекул неорганического мира. Осуществить задуманное помогут те же пластилиновые шарики.

9. Возьмите центральный атом углерода – красный шарик. Вставьте в него по две спички, задавая линейную форму молекулы, на свободные концы спичек прикрепите два синих шарика, которые в данном случае олицетворяют атомы кислорода. Таким образом, мы имеем молекулу углекислого газа линейного строения.

10. Вода – это полярная жидкость, а ее молекулы представляют собой угловые образования. Они состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Угловое строение задает неподеленная пара электронов на центральном атоме. Ее тоже можно изобразить в виде двух зеленых точек.

Вот такие увлекательные творческие уроки обязательно нужно практиковать с детьми. Ученики любого возраста заинтересуются химией, будут лучше понимать предмет, если в процессе изучения им предоставить наглядное пособие, выполненное своими руками.

ellesilver.ru