Биосинтез белка

Цель урока: формирование понимания процесса биосинтеза белка и механизма регуляции активности генов.

Содержание

1. Теоретическая часть

1.1. Введение

1.2. Гипотеза Жакоба-Моно.

1.3. Транскрипция

1.4. Трансляция

1.5. Регуляция синтеза белка.

2. Вопросы для самостоятельной работы

3. Контрольный тест

Задание:

* осмыслите следующий факт: “Ребенок за 1 год удваивает в росте и утраивает в весе. Почему так быстро растет ребенок? Как за такое короткое время это возможно?”.

*У Б. Пастернака есть следующие строчки:

Существовать не тяжело Жить – самое простое дело Зарделось солнце и взошло И теплотой пошло по телу.

*Какое слово данного отрывка является ключевым?

*Что называют жизнью?

“ Жизнь – есть способ существования белковых тел”.

Энгельс.

“ Живые тела представляют собой открытые системы, построенные из биополимеров белков и нуклеиновых кислот”.

Волькенштейн.

* Какой вывод мы можем сделать о характеристике понятия “жизнь”?

*Какое вещество обуславливает «жизнь»?

-Какие функции выполняют белки?

-Каковы свойства генетического кода?

Вспомните:

*Знаю о биосинтезе белка;

*Хочу узнать о биосинтезе

9.К неправильным утверждения, касающимся признаков генетического кода может быть отнесено:

·        1)  Кодоны содержатся в иРНК и между ними нет пробелов

·         2) Антикодоны содержатся в тРНК и комплементарны кодонам

·          3)Существуют кодоны, сигнализирующие о прекращении синтеза белковой молекулы

·          4)Для каждого вида аминокислот существует только один кодон

10. Заполни схему :

                   А Т Т Ц А Т Г А Т Ц А Т Г Г Ц Ц Т Г

Значение белков

гормоны

ферменты

транспор т

белки

движение

строительство

антитела

Повторим значение некоторых терминов:

• Комплементарность
• Триплет
• Кодон
• Антипараллельность молекулы ДНК
• Ген-участок молекулы ДНК,определяющей последовательность нуклеотидов в молекуле РНК, последовательность аминокислот в полипептидах
• Стоп-кодоны(УАА,УГА ,УАГ)
• Стартовые кодоны и-РНК(АУГ,ГУГ)
• Экзон
• Интрон

Так как, белки выполняют целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более, что некоторые из них имеют ограниченный срок функционирования и синтез таких белков не прекращается ни на минуту.

Например, организм человека за сутки тратит примерно 400 г белков, следовательно, это же количество он должен синтезировать за день

В середине 60-х годов биохимикам удалось выяснить, что, несмотря на то, что «инструкции» о синтезе белка заключены в ДНК, которая почти вся находится в ядре, сам синтез белка фактически происходит в цитоплазме и в нем участвуют рибосомы. Стало ясно, что

должен существовать какой-то механизм, переносящий генетическую информацию из ядра на цитоплазму .

В середине 60-х годов биохимикам удалось выяснить, что, несмотря на то, что «инструкции» о синтезе белка заключены в ДНК, которая почти вся находится в ядре, сам синтез белка фактически происходит в цитоплазме и в нем участвуют рибосомы. Стало ясно, что должен существовать какой-то механизм, переносящий генетическую информацию из ядра на цитоплазму. В 1961 году два французских биохимика Жакоб и Моно, исходя из теоретических соображений, постулировали существование особой формы РНК, выполняющей в синтезе белка роль посредника. В последствии этот посредник получил название матричной (и-РНК).

Перенос информации от ДНК через РНК к полипептидам и белкам называют экспрессией гена.

• Жак Люсьен Моно (1910-1976) – французский биохимик и микробиолог

• Франсуа Жакоб (р.1920) – французский микробиолог

Биосинтез белка

• Транскрипция
• Трансляция

Гипотеза Жакоба-Моно.

Генетические инструкции, определяющие аминокислотные последовательности белков, заключены в структурных генах . Активность этих генов регулируется геном-регулятором . Этот ген препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген-регулятор содержит информацию для синтеза белка-репрессора , который будет блокировать структурные гены, связываясь с прилегающим к ним участком— геном-опрератором . Промотор – это место присоединения фермента РНК-полимеразы. От него зависит, какая из цепей ДНК станет матрицей.

ДНК ОПЕРОН

Ген-регулятор

Структурные гены

Про-

мотор

блокированы

оператор

1

3

2

Белок-

репрессор

1-синтез на основе гена-регулятора белка-репрессора.

2-связывание или не связывание белка-репрессора с геном-оператором

3-если есть связывание, то структурные гены не работают, если ген-оператор свободен, структурные гены приступают к синтезу белка

Транскрипция (лат. переписывание)

Первый этап биосинтеза белка—транскрипция .

Транскрипция —это переписывание информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК.

В определенном участке ДНК под действием ферментов РНК -полимеразы белки-гистоны отделяются, водородные связи рвутся, и двойная спираль ДНК раскручивается. Одна из цепочек становится матрицей для построения и-РНК. Участок ДНК в определенном месте начинает раскручиваться под действием ферментов.

матрица

А

Т

Г

Г

А

Ц

Г

А

Ц

Т

ДНК

Затем на основе матрицы под действием фермента РНК-полимеразы из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности начинается сборка мРНК .

Между азотистыми основаниями ДНК и РНК возникают водородные связи, а между нуклеотидами самой матричной РНК образуются сложно-эфирные связи.

и-РНК

У

А

А

Т

Г

Ц

Ц

Г

У

А

Ц

Г

Сложно-эфирная

Г

Ц

Водородная

связь

У

А

Г

Ц

А

Т

После сборки мРНК водородные связи между азотистыми основаниями ДНК и мРНК рвутся, и новообразованная мРНК через поры в ядре уходит в цитоплазму, где прикрепляется к рибосомам. А две цепочки ДНК вновь соединяются, восстанавливая двойную спираль, и опять связываются с белками-гистонами.

мРНК присоединяется к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния. Причем два ее триплета нуклеотидов оказываются обращенными к большой субъединице рибосомы.

Mg 2+

мРНК

рибосомы

цитоплазма

ЯДРО

Трансляция (лат. перенесение, перевод)

Трансляция

Второй этап биосинтеза– трансляция.

Трансляция– перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.

В цитоплазме аминокислоты под строгим контролем ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз соединяются с тРНК, образуя аминоацил-тРНК. Это очень видоспецифичные реакции (рекогниции): определенный фермент способен узнавать и связывать с соответствующей тРНК только свою аминокислоту.

Ц

Г

У

Ц

А

У

А

и-РНК

Ц

У

У

Г

А

а/к

а/к

У

Г

У

А

Ц

У

У

Г

а/к

А

У

Г

Далее тРНК движется к и-РНК и связывается комплементарно своим антикодоном с кодоном и-РНК. Затем второй кодон соединяется с комплексом второй аминоацил-тРНК, содержащей свой специфический антикодон.

Антикодон – триплет нуклеотидов на верхушке тРНК.

Кодон – триплет нуклеотидов на и-РНК.

Водородные связи между

комплементарными нуклеотидами

Ц

Г

У

Ц

А

У

А

и-РНК

Ц

У

А

Г

У

У

Г

У

Ц

А

У

А

а/к

а/к

а/к

У

Г

После присоединения к мРНК двух тРНК под действием фермента происходит образование пептидной связи между аминокислотами; первая аминокислота перемещается на вторую тРНК, а освободившаяся первая тРНК уходит. После этого рибосома передвигается по нити для того, чтобы поставить на рабочее место следующий кодон.

Ц

Г

Ц

У

У

А

А

Ц

И-РНК

У

У

А

Г

У

А

Ц

А

У

У

Г

а/к

а/к

а/к

Пептидная

связь

Такое последовательное считывание рибосомой заключенного в и-РНК «текста» продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-кодонов ( терминальных кодонов). Такими триплетами являются триплеты УАА, УАГ,УГА.

Одна молекула мРНК может заключать в себе инструкции для синтеза нескольких полипептидных нитей. Кроме того, большинство молекул и-РНК транслируется в белок много раз, так как к одной молекуле и-РНК прикрепляется обычно много рибосом.

и-РНК на рибосомах

Наконец, ферменты разрушают эту

молекулу и-РНК, расщепляя ее до

отдельных нуклеотидов.

белок

Роль ферментов. Энергетика биосинтеза.

Регуляция синтеза белка

Клеточная ДНК несет в себе генетическую программу, необходимую для синтеза сотен различных белков, однако в каждый данный момент клетка синтезирует только те белки, которые нужны ей в это время. Синтез определенных белков контролируется ферментами.

Ферменты, которые образуются постоянно, называются конститутивными .

Ферменты, которые образуются только в присутствии надлежащего индуктора (стимулятора из среды), называются индуцибельными.

Синтез индуцибельных ферментов может стимулироваться индуктором среды. Это индукция ферментов . Индуктор присоединяется к активному центру белка-репрессора, изменяет его структуру так, что тот не может связаться с геном-оператором, и структурные гены работают.

Под действием репрессора среды синтез индуцибельных ферментов прекращается. Это репрессия ферментов . Корепрессор присоединяется к активному центру репрессора и усиливает его действие– связывает ген-оператор и блокирует структурные гены.

Питательная среда с аланином

Питательная среда с триптофаном

Например

Триптофан-

синтетаза

E. coli

E. coli

• Если кишечная палочка растет на среде с аланином, то она вынуждена вырабатывать триптофансинтетазу– фермент, необходимый для синтеза триптофана. При перенесении кишечной палочки на питательную среду с триптофаном последний выступает в качестве репрессора, синтез триптофансинтетазы подавляется. Это репрессия ферментов.

E. coli

E. coli

• В среде с лактозой этот углевод выступает в качестве индуктора , стимулируя синтез двух ферментов— β - галактозидазы и лактопермеазы, которые расщепляют лактозу до глюкозы и галактозы. Это индукция ферментов.

Питательная среда с глюкозой

Питательная

среда с лактозой

лактопермеаза

β - галактозидаза

E. coli

E. coli

Задача №1

Синтез информационной РНК

Рассмотрите рисунок.

Назовите этапы биосинтеза белка ( I , II )

и место их протекания в клетке ( А, Б, В).

Какие вещества обозначены цифрами 1-5?

Задача.

Молекулярная масса белка Х = 50 000. Определите длину соответствующего гена.

Примечание. Молекулярная масса одной аминокислоты в среднем 100, одного нуклеотида 345.

Задача

Сколько нуклеотидов содержит ген (обе цепи ДНК), в котором запрограммирован белок инсулин из 51 аминокислоты?

Задача

Одна из цепей ДНК имеет молекулярную массу 34155. Определите количество мономеров белка, запрограммированного в этой ДНК.

Задача

Какова молекулярная масса гена (двух цепей ДНК), если в одной цепи его запрограммирован белок с молекулярной массой 1500?

Задача

Фрагмент молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности: ТАААТГГЦААЦЦ. Определите состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена.

Задача

.Фрагмент молекулы содержит аминокислоты: аспарагиновая кислота-аланин-метионин-валин.

О п р е д е л и т е:

а) какова структура участка молекулы ДНК, кодирующего эту последовательность аминокислот;

б) количество (в % ) различных видов нуклеотидов в этом участке гена (в двух цепях);

в) длину этого участка гена.

2. Молекулярная масса белка х равна 50 тыс. дальтонов (50 кДа). Определите длину соответствующего гена.

Примечание. Среднюю молекулярную массу одной аминокислоты можно принять равной 100 Да.

задача

3.Радиоактивное облучение способно иногда «выбивать» нуклеотиды из молекул нуклеиновой кислоты без нарушения ее целостности. Допустим, что в одном случае из молекулы удален только один нуклеотид, в другом – три нуклеотида подряд, а в третьем – тоже три нуклеотида, но расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Как это отразится на белке, синтезируемом на основе наследственной информации, закодированной в такой поврежденной молекуле? В каких из указанных трех случаев синтезируемый белок будет отличаться от нормального больше, а в каких – меньше?

Задача № 36.

Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69 000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов.

а) Сколько содержится нуклеотидов по отдельности?

б) Какова длина этой ДНК?

Примечание. Относительная молекулярная масса одного нуклеотида – 345 (в среднем).

3. Контрольный тест

1. Матрицей для синтеза молекулы м-РНК при транскрипции служит:

а) вся молекула ДНК

б) полностью одна из цепей молекулы ДНК

в) участок одной из цепей ДНК

г) в одних случаях одна из цепей молекулы ДНК, в других– вся молекула ДНК.

2. Транскрипция происходит:

а) в ядре

б) на рибосомах

в) в цитоплазме

г) на каналах гладкой ЭПС

3. Последовательность нуклеотидов в антикодоне т-РНК строго комплементарна:

а) триплету, кодирующему белок

б) аминокислоте, с которой связана данная т-РНК

в) последовательности нуклеотидов гена

г) кодону м-РНК, осуществляющему трансляцию

4. Трансляция в клетке осуществляется:

а) в ядре

б) на рибосомах

в) в цитоплазме

г) на каналах гладкой ЭПС

5. При трансляции матрицей для сборки полипептидной цепи белка служат:

а) обе цепочки ДНК

б) одна из цепей молекулы ДНК

в) молекула м-РНК

г) в одних случаях одна из цепей ДНК, в других– молекула м-РНК

6. При биосинтезе белка в клетке энергия АТФ:

а) расходуется

б) запасается

в) не расходуется и не выделяется

г) на одних этапах синтеза расходуется, на других– выделяется

7. Исключите лишнее: А)рибосомы,б)т-РНК, В)м-РНК, Г) аминокислоты, д)ДНК.

8. Участок молекулы т-РНК из трех нуклеотидов, комплементарно связывающийся с определенным участком м-РНК по принципу комплементарности называется …

9. Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК следующая: АТТААЦГЦТАТ. Какова будет последовательность азотистых оснований в м-РНК?

а) ТААТТГЦГАТА

б) ГЦЦГТТАТЦГЦ

в) УААУЦЦГУТУТ

г) УААУУГЦГАУА

Рефлексия

• Что я нового узнал?
• На что обратить внимание,
• Что еще хотелось бы узнать?

РАБОТА В ПАРАХ:

1) Вам необходимо пересказать материал соседу по парте.

2) Выслушав пересказ материала основной части, оцените своего соседа по 3-х балльной оценке. (Если в его рассказе были неточности, неясности, ошибки – Вы вправе поставить ему 0 баллов.)

Задача№2

Используя данные таблицы, определите аминокислотный состав фрагмента белковой молекулы, если одна из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

1вариант) ЦТТ|АЦА|ЦЦГ|ГГЦ|АТТ|ЦЦГ|ГЦА|АТТ|Г

2 вариант) ГАТ|ГАТ|ЦАГ|ГАТ|ГЦЦ|ТГТ|ЦТГ|ТТЦ|ААГ|ГГА|ЦТЦ|АТТ

Что произойдет с генетическим кодом, если во второй цепи пятый нуклеотид а) убрать из цепи ДНК; б) заменить на гуанин (Г)? Как эти изменения отразятся на структуре белка? К каким последствиям могут привести такие изменения в составе ДНК?

Домашнее задание: