Нужна ли школе виртуальная биология. Журнал Биология в школе.. Нужна ли школе виртуальная биология. Методика преподавания
 Скачать 7.01 Mb.
|
|
невозможным механизмом репликации (рис. 3). Старая цепь Старая цепь  Рис. 3. Схема репликации ДНК. На рисунке неверно показаны нуклеотиды, присоединяемые к растущей цепи (обведены и помечены знаком вопроса). Ситуация, когда обе синтезируемые комплементарные цепи растут в одну и ту же сторону, невозможна. Рисунок из учебника [6, с. 182] Фактически авторы данного учебника привели рисунок из переведённой на русский язык книги Дж. Уотсона «Двойная спираль» [9], который отражал предполагаемый механизм репликации на уровень конца 50-х гг. прошлого века, когда только формировались представления о структуре двойной спирали ДНК и возможных механизмах её репликации. Молекулярные особенности репликации были открыты позднее, и они оказались несколько иными. Обратите внимание, что к растущим цепям присоединяются два гуаниновых нуклеотида к левой цепи и два цитозиновых нуклеотида к правой цепи. Однако одновременное наращивание растущих цепей в одну и ту же сторону в природе просто не существует. Причина ошибки кроется опять же в игнорировании двух фактов: антипа- раллелльности ДНК и того, что рост новой цепи ДНК возможен только в направлении 5'-3'. Согласно же приведённому рисунку в одном случае цепь должна достраиваться в направлении 5’-3', а в другом — 3'-5', что не соответствует действительности. Остаётся отметить, что верная схема репликации, учитывающая, что матричный синтез новой нуклеотидной цепи происходит лишь в направлении 5'-3', есть лишь в немногих учебниках, например [2, 4], причём в данных двух учебниках профильного уровня опять же педагогически уместно сформулированы принципы репликации, такие, как комплементарность, антипараллельность и униполярность (рост синтезируемой комплементарной цепи лишь в одном конкретном направлении, а именно в направлении 5'-3'). Однако приведённые в этих учебниках схемы репликации перегружены деталями, в которых учитываются даже такие нюансы, как различение лидирующей и отстающей цепей, первоначальный синтез РНК-затравок, вытеснение цепи РНК полидезоксирибонуклеотидами и др., что уместно лишь для профильного уровня, но нежелательно для базового. На наш взгляд, лучшее компромиссное решение, приемлемое для базового уровня, в котором простота изложения не пошла в разрез с ключевыми принципами униполярности и антипараллельности репликации, изложено в уже не используемом сейчас, но тем не менее содержащем актуально изложенный материал (рис. 4), учебнике для 10-11 классов профильного уровня под редакцией Рувинского А.О. [10]. НАПИСАНИЕ НЕСУЩЕСТВУЮЩИХ АНТИКОДОНОВ Другая связанная с молекулярной биологией необычайно распространённая в заданиях ЕГЭ и фактически кричащая ошибка заключается в абсолютно неверном написании антикодонов в тРНК. Абсурдность ситуации усиливается тем фактом, что практически в каждом подобном задании в качестве ответов нужно писать не только неверные антикодоны, но и антикодоны, которых в природе не существует в принципе (такие невозможные антикодоны встречаются и в формулировках самих заданий ЕГЭ). Пример №2 (задание С5, вариант ЕГЭ за 2013 г.) «В биосинтезе фрагмента молекулы белка участвовали последовательно молекулы тРНК с антикодонами АЦЦ, ГУЦ, УГА, ЦЦА, ААА. Определите аминокислотную последовательность синтезируемого фрагмента молекулы белка и нуклеотидную последовательность участка двухцепочечной молекулы ДНК, в которой закодирована информация о первичной структуре фрагмента белка. Объясните последовательность Ваших действий. Для решения задачи используйте таблицу генетического кода». Читаем далее содержание верного ответа, которое начинается со следующего текста: «Схема решения задачи включает: по антикодонам тРНК найдём участок иРНК, на котором синтезируется фрагмент белка: УГГЦАГАЦУГГУУУУ...». Уже на первом этапе решения составители заданий ЕГЭ допустили проанализированную выше ошибку, приведшую к неправильному написанию комплементарной цепи. Однако как в формулировке самого задания, так и в самом решении есть и другой вид не менее серьёзных ошибок, происходящих из- за неверного понимания кодон-антикодоновог о  Рис. 4. Схема репликации ДНК, в которой адекватно отражены принципы униполярности и антипараллельности. Рисунок из учебника [10, с. 89] взаимодействия на рибосоме при синтезе белка. В частности, часть антикодонов, данных в условии, в природе просто не встречается. Важно также учитывать, что кодоны, с которыми взаимодействуют антикодоны, чаще всего определяются неоднозначно, потому что один антикодон чаще может взаимодействовать на рибосоме при синтезе белка с разными кодонами, например, урациловый нуклеотид в первом положении антикодона в реальной живой клетке взаимодействует не только с соответствующим адениновым нуклеотидом, но и с гуаниновым. В результате последовательность иРНК по антикодонам не может быть однозначно записана. Для более детального анализа данного вопроса обратимся уже к материалу вузовской биологии, а заодно опровергнем один из довольно старых школьных биологических мифов, идущих еще со времен советских учебников биологии и, к сожалению, оставшихся неизменными и в современных, даже лучших учебниках. Формулировка этого мифа повторяется почти в каждом учебнике. Например, в учебнике [7] на с. 115 написано: «Для каждой аминокислоты существует своя тРНК', один из триплетов которой комплементарен строго определённому триплету иРНК». Что печально, даже в хорошо зарекомендовавшем себя учебнике профильного уровня [2] на с. 102 формулируется вопиюще абсурдное утверждение, не имеющее отношение к реальности: «В клетке имеется столько же разных тРНК, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты». Это принципиально не так. Обратимся к фактам. Для того чтобы разобраться в вопросе, отошлём читателей к монографии Б. Льюина «Гены», переведённой на русский язык и выдержавшей множество переизданий [8], откуда приведём несколько цитат, опровергающих сформулированный миф, напомнив перед этим, что антикодоны согласно традиционно принятым правилам, как и другие последовательности нуклеиновых кислот, выписывают, начиная от 5'-конца: «Существует ли для каждого кодона своя тРНК с полностью комплементарным антикодоном? Или одна тРНК может взаимодействовать со всеми или по крайней мере с несколькими представителями кодонового семейства? Показано, что одна тРНК может узнавать более одного кодона. Следовательно, основание в первом положении антикодона должно обладать способностью образовывать пару с несколькими различными основаниями, находящимися в третьем положении соответствующих кодонов... Взаимодействие оснований в первом положении антикодонов не ограничено образованием канонических пар G-C uA-U» (с. 203). Данный факт, указанный в цитате, говорит, в частности, о том, что количество тРНК и антикодонов вряд ли будет равно. В действительности это количество заметно меньше количества всех возможных 61 кодонов, кодирующих аминокислоты, и варьирует в зависимости от вида в примерных пределах 22-56 [7]. Этот факт разъясняется следующим утверждением (с. 203): «Правила, описывающие кодон-антикодоно- вые взаимодействия, суммированы в гипотезе неоднозначного спаривания... Эта гипотеза гласит, что образование пары кодон-антикодон в двух первых положениях кодона всегда происходит по каноническим правилам, но в третьем положении возможно колебание...». Важно также, что тРНК могут содержать различные модифицированные нуклеотиды (более 60 вариантов). При этом на участках двойной спирали в молекуле тРНК образование неуот- сон-криковских связей распространяется на существенную часть пар нуклеотидов. В частности, эти модифицированные основания очень часто присутствуют в первой позиции антикодона, обеспечивая те или иные варианты специфического кодон-антикодонового взаимодействия, в том числе и то, что многие антикодоны могут при синтезе белка на рибосоме специфично взаимодействовать с разными кодонами, не образуя канонической уотсон-криковской связи. Важно также отметить следующее утверждение из цитируемого источника (с. 207): «В действительности некоторые классические варианты пар никогда не встречаются при кодон-антикодоновом взаимодействии в силу того, что отдельные основания всегда модифицированы. Так, в первом положении антикодона никогда не образуется аденина, поскольку он обычно превращается в инозин. В большинстве случаев урацил в первом положении антикодона превращается в модифицированную форму». Итак, аденин в первом положении антикодона не встречается. Он, в частности, может модифицироваться в инозин, взаимодействующий не только с урацилом, но и с другими нуклеотидами кодонов, а именно — с цитозином и аденином [8]. Получается, что изображаемые в учебниках антикодоны (как, например, на рис. 5, который взят из учебника [3]), начинающиеся у аденино- вого нуклеотида, просто не существуют. Как же разрешить проблему несоответствия школьного материала реальным фактам науки? Не окажется ли, что при детализации механизмов трансляции учебный материал окажется неприемлемым для школы? Нет, не окажется. Мы можем предложить, например, при изложении материала по трансляции указывать, что комплементарное взаимодействие при образовании кодон-антикодоновых пар, как правило, справедливо только для первых двух нуклеотидов кодонов (известные редкие исключения из данного правила не сильно нару-  Рис. 5. Схема биосинтеза белка на рибосоме. На рисунке неверно изображены нуклеотиды в первом положении антикодона, взаимодействующие с третьим нуклеотидом соответствующего кодона. В частности, адени- нового остатка в первом положении изолейцинового и серинового кодонов никогда не бывает. Рисунок из учебника [3, с. 62] шают общую картину), а первый нуклеотид кодона, который потенциально может быть любым (в таком случае в литературе такой нуклеотид обозначается буквой N), взаимодействует неканонически. И схемы трансляции, таким образом, не сильно модифицируются, практически не усложняясь. Например, вместо взаимодействия 5-ААА-З' (кодон) |