Биосинтез белка

Урок №30

Дата:

Тема урока:  Биосинтез белка. Понятие о гене - источнике генетической информации. Генетический код. Матричный принцип биосинтеза белков.

Цели урока : 1. Продолжение формирования знаний об обмене веществ.

2. Ознакомление с сущностью понятий «транскрипция» и «трансляция».

3. Расширение представлений о роли нуклеиновых кислот

Оборудование : видеоролик «Биосинтез белка»

Ход урока

I. Организационный момент :

II.Проверка усвоения материала и активизация знаний по предыдущей теме

а) Какие вещества поступают в организм человека?

б) Какие изменения происходят со сложными молекулами органических веществ?

в) Какие вещества выводятся из организма?

Таким образом, в клетку непрерывно поступают различные вещества. В ней синтезируются новые молекулы, а часть молекул разрушается. Одни вещества расходуются клеткой, другие откладываются в запас, третьи выводятся из клетки, то есть, непрерывно происходит обмен веществ или метаболизм – основа существования живых организмов.

Анаболизм или пластический обмен Катаболизм или энергетический обмен

(Реакции синтеза)(Реакции расщепления)

III. Изучение нового материала :

1. Просмотр видеоролика «Биосинтез белка».

2. Понятие о пластическом обмене.

Пластический обмен.

- Синтез органических веществ.

- Поглощение энергии.

- Образование полимеров из мономеров.

- Клетка обеспечивается строительным материалом.

3. Этапы синтеза белка.

Главная роль в биосинтезе белка принадлежит нуклеиновым кислотам: ДНК и РНК.

ДНК – цепь из последовательно расположенных нуклеотидов (генетический код).

Различают четыре типа нуклеотидов: А, Т, Г, Ц.

Белок – цепь из последовательно расположенных аминокислот.

Каждой аминокислоте в молекуле белка соответствует сочетание их трех последовательно расположенных в цепи ДНК нуклеотидов – триплет.

Информация, заключенная в молекулах ДНК называется генетической. Участок молекулы ДНК, кодирующий информацию о первичной структуре одного белка называется геном.

I этап.

- Переписывание информации с молекулы ДНК на молекулу и-РНК – транскрипция.

- и-РНК переходят из ядра в цитоплазму.

- в цитоплазме и-РНК присоединяется к рибосоме.

- т-РНК транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка.

II этап.

Передача информации для сборки аминокислот в полипептидную цепь в соответствии с и-РНК – трансляция. Образуется полипептидная цепь – молекула белка.

Рассмотрим одну из форм пластического обмена – биосинтез белков. Информация о структуре белка заложена в хромосомах (ДНК). ДНК расположена в ядре клетке. Синтез белка в клетке осуществляется на рибосомах в цитоплазме. Таким образом, информация с одной из цепей ДНК должна быть списана  и передана на рибосомы. И списывание информации - транскрипция, и сам синтез - трансляция основан на генетическом коде.  Каждой аминокислоте  в полипептидной цепочке соответствует последовательность из трех нуклеотидов – триплет. Существует всего 20 аминокислот, но 64 триплета. Некоторые аминокислоты продублированы несколькими триплетами. Кроме того, есть триплеты – запятые и триплеты – точки. То есть, знаки препинания. Все это обеспечивает избыточность и надежность генетического кода. Кроме того, генетический код специфичен (строгое соответствие 1 триплет – 1 аминокислота) и универсален для всего живого. 1 этап биосинтеза белка – транскрипция – процесс переписывания информации о последовательности нуклеотидов на цепи ДНК на И-РНК (при участии ферментов). Транскрипция осуществляется  на основе принципа комплиментарности нуклеотидов (азотистых оснований) (списать информацию с одной из цепей ДНК на И-РНК: А-А-Т-Г-Г-Г-Ц-Ц-Т-А). Затем И-РНК перемещается в цитоплазму и поступает на рибосомы ЭПС. 2 этап – трансляция -  процесс перевода информации с последовательности нуклеотидов в И-РНК на последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Этот этап также поддерживается ферментами. Строительный материал – аминокислоты – доставляют к месту сборки  Т-РНК, которые  имеют на переднем конце триплет нуклеотидов, а на заднем – соответствующую ему  аминокислоту. Если код И-РНК и Т-РНК совпадает, то аминокислота отделяется и присоединяется к растущей белковой молекуле. Так продолжается до тех пор, пока не попадется триплет «запятая» или «точка». Синтез белка требует больших затрат энергии. 3.

1.    Какие функции выполняют в клетке белки?
2.    Из чего состоят белки?

Генетическая информация.

Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белков. Так как белки выполняют в организме целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более что большинство белков имеют ограниченный срок функционирования и синтез таких белков (компонентов мембран, гормонов, ферментов) не прекращается ни на минуту. Так, например, за сутки в организме человека распадается около 400 г различных белков, следовательно, такую же массу нужно синтезировать снова.

Каждый вид живых существ имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого вида, хотя некоторые белки, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми.

С другой стороны, все особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга. На Земле нет, например, двух абсолютно одинаковых людей или амеб. Индивидуальную неповторимость каждой особи определяют различия в структуре белков.

Свойства белков определяются прежде всего их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в молекуле белка. Наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекулах двуцепочечной ДНК. Следовательно, информация о строении и жизнедеятельности как каждой клетки, так и всего многоклеточного организма в целом заключена в нуклеотидной последовательности ДНК. Эта информация получила название генетической информации, а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном.

Генетический код. 

Каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК — триплет, или кодон. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплеты в ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет 43 = 64, т. е. ДНК может кодировать 64 аминокислоты. Однако всего кодируется только 20 аминокислот, Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов. Предполагается, что такое свойство генетического кода — вырожденность — повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона — ЦГА, ЦГГ, ЦГТ и ЦГЦ. Получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде кодона не сможет привести к изменениям в структуре белка — все равно это будет кодон аланина.

  Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало или конец того или иного гена.

Очень важное свойство генетического кода — специфичность, т. е. один триплет всегда кодирует только одну аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерии до человека.

Транскрипция. Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двуцепочечной ДНК раскручивается, а затем на одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности синтезируется молекула иРНК (рис. 42). Это происходит следующим образом: против, например, Г молекулы ДНК становится Ц молекулы РНК, против А молекулы ДНК — У молекулы РНК (вспомните, что вместо тимина РНК несет урапил, или У), против Т молекулы ДНК — А молекулы РНК и против Ц молекулы ДНК — Г молекулы РНК. Таким образом, формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции.

Для транскрипции, т. е. для синтеза иРНК, необходим особый фермент — РНК-полимераза. Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимера- за начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе и который конечно же клетке не нужен. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая про мотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора. Это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков, У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.

В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.

Необходимо помнить, что любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной

Трансляция. В цитоплазме происходит процесс синтеза белка, который по-другому называют трансляцией. Трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. С тем концом иРНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. При этом начало будущего белка обозначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением специальных случаев) начинаются с метионина. После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т. е. 3 + 3 = 6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку. После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала. Наконец, рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или У Г А), Эти кодоны не кодируют аминокислот, они только лишь показывают, что синтез белка должен быть завершен. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры

Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.

Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок. На ту же иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой. Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой иРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле иРНК. Таким образом, последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.

Таким образом, трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

То, что ДНК и РНК содержатся как в клетках животных, так и в клетках растений, выяснилось только к концу 30-х годов XX в. До того полагали, что ДНК содержится только в клетках животных, а РНК — в клетках растений. То, что РНК содержится во всех клетках, причем не столько в ядре, сколько в цитоплазме, было показано только в 40-е годы XX в.

IV.Закрепление :Генетический код. Кодон. Антикодон. Транскрипция. Промотор. Терминатор. Трансляция. Стоп-кодон. Полисома.

1.    Что такое ген?
2.    Какой процесс называется транскрипцией?
3.    Где и как происходит биосинтез белка?
4.    Что такое стоп-кодон?
5.    Сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке?
6.    Из чего состоит полисома?
7.    Требуют ли процессы синтеза белка затрат энергии? Или, наоборот, в процессах синтеза белка происходит выделение энергии.

V. Домашнее задание: параграф 28,29, конспект