Учитель биологии ГБОУ РК «ССШИ №1»
Сидоренкова Юлия Васильевна
Материалы для проведения
уроков биологии в 10 классе
Тема: Пластический обмен. Биосинтез белков.
Существуют две разные стороны обмена веществ — ассимиляция и диссимиляция.
Ассимиляция (пластический обмен) — это переработка и использование организмом веществ, которые поступают в него из окружающей среды. Другими словами — организм строит свое тело за счет внешней среды, синтезируя из ее «материалов» все необходимые для него вещества. (записать)
Примеры ассимиляции: к основным процессам пластического обмена принадлежат
А) биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот,
Б) фотосинтез
В)хемосинтез
В качестве примера познакомимся с механизмом биосинтеза белков в клетке. Как известно, молекула белка является полимером, в роли мономеров полимерной молекулы белка выступают аминокислоты. У высших животных и человека аминокислоты образуются в результате пищеварения, после чего кровь приносит их в клетки, где они используются для построения новых белков, характерных для данного организма. Клетки растений не получают аминокислоты в готовом виде, они сами способны их синтезировать, используя при этом азот, аммиак, нитраты. Белки выполняют в организме множество важнейших функций: они катализируют биохимические реакции, осуществляют все виды клеточных движений, создают различные компоненты клеточных органелл, иными словами, от них зависит вся жизнедеятельность организма. В клетке содержатся несколько тысяч различных белков, причем каждый вид клеток имеет специфические белки, присущие только данному виду клеток. Способность синтезировать только свои белки передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется в течение всей жизни. Белки синтезируются в клетке постоянно, приходя на смену «отработавшим свое» молекулам, структура и функции которых со временем нарушаются. Такие молекулы белков удаляются из клетки и заменяются новыми полноценными молекулами.
Структура молекулы белка главным образом определяется последовательностью аминокислот в его полипептидной цепи. Основная роль в определении этой последовательности аминокислот принадлежит ДНК, находящейся в ядре клетки. Каким же образом аминокислотная последовательность белка закодирована в структуре молекулы ДНК? Поскольку ДНК и полимерная молекула белка представляют собой линейные (неразветвленные) молекулы, естественно напрашивается мысль, что порядок нуклеотидов в ДНК определяет порядок аминокислот в молекуле белка. В состав ДНК входит четыре вида нуклеотидов — это значит, что «алфавит» генетического кода состоит из четырех букв. Поскольку в состав белков входит 20 видов аминокислот, ясно, что каждая из них не может определяться только одной такой «буквой», ибо в этом случае 16 «лишних» аминокислот вообще не имели бы шансов попасть в белок. Не могут «слова» генетического кода состоять и из двух букв, потому что из четырех букв можно составить не более 16-ти пар, что все еще очень мало. Число же различных сочетаний по три из четырех «букв» равно 64, а этого уже хватает с избытком. Таким образом, каждая из двадцати видов аминокислот имеет свой код в виде трех рядом лежащих в цепочке ДНК нуклеотидов, которые называются триплетом или кодоном.
Генетическим кодом молекулы белка в целом является последовательность триплетов (кодонов) молекулы ДНК.
В настоящее время код ДНК полностью расшифрован. Для каждой аминокислоты точно установлен состав кодирующих ее троек нуклеотидов — кодон. В коде ДНК во многих случаях одна и та же аминокислота закодирована не одним кодоном, а несколькими — двумя, тремя, четырьмя и даже шестью. Предполагают, что такое свойство кода имеет значение для повышения надежности хранения и передачи наследственной информации. Поскольку молекулы ДНК по своим размерам во много раз превосходят размеры молекул белков, то следует отметить, что одна и та же молекула ДНК содержит в себе код не одной, а нескольких молекул белка. Отрезок молекулы ДНК, в котором содержится информация о структуре одной молекулы белка, называется геном. Между генами находятся «знаки препинания» - участки, которые не несут генетическую информацию, а лишь отделяют одни гены от других. Их называют спейсерами (от англ. спейс — пространство). В генетическом коде есть три кодона (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых означает окончание синтеза молекулы белка. Это так называемые стоп-кодоны. Кодон УАГ определяет место начала синтеза очередной молекулы белка.
Исследования по расшифровке генетического кода раскрыли его основные свойства:
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, которая называется триплетом или кодоном.
У всех организмов одни и те же аминокислоты кодируются одними и теми же кодонами, т. е. код универсален.
Код является вырожденным: одна аминокислота может кодироваться более чем одним кодоном.
Код не перекрывается: считываются кодоны один за другим. Например, с последовательности АУГГЦАЦГА считывание происходит только таким образом: АУГ/ГЦА/ЦГА. Считывания типа АУГ/УГГ/ГГЦ или АУГ/ ГГЦ/ЦАЦ не происходят.
Этапы биосинтеза белка
Механизм биосинтеза белка был окончательно выяснен в 50-е годы XX столетия. Он состоит из нескольких этапов.
1) Первый этап—транскрипция — это синтез и-РНК на одной из цепей молекулы ДНК, который осуществляется по принципу комплементарное™. Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, как бы переписывается на и-РНК. Затем молекула и-РНК покидает ядро и направляется к месту синтеза белка, т. е. к рибосомам. Сюда же поступают и аминокислоты, из которых строится белок. В цитоплазме всегда имеется достаточное их количество, т. к. кровь постоянно приносит аминокислоты в клетки из кишечника.
2) Второй этап - транспорт аминокислот к месту синтеза белка осуществляется при помощи транспортных РНК (т-РНК). Т-РНК — относительно небольшие молекулы, состоящие приблизительно из 30 нуклеотидов. Цепочка т-РНК в пространстве свернута в петлеобразную структуру, похожую по форме на лист клевера. На его верхушке расположен так называемый антикодон — триклет, комплементарный одному из кодонов и-РНК, который соответствует определенной аминокислоте. Именно эту аминокислоту способна транспортировать данная т-РНК, присоединяя ее к себе в зоне акцепторного участка, расположенного у ножки «листа клевера». Так как в построении белков участвуют 20 видов аминокислот, значит в их транспортировке участвуют 20 видов т-РНК, потому что каждый вид т-РНК способен присоединять и переносить только одну определенную аминокислоту.
3) Третий этап – трансляция. Следующий этап биосинтеза белка называется трансляцией (от лат. транслятио — передача). Во время этого этапа информация о структуре белка, записанная на и-РНК в виде последовательности кодонов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Процесс сборки белковой молекулы начинается с того, что рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с левого конца таким образом, что ее малая и большая субъединицы оказываются по обе стороны молекулы и-РНК. Рибосома передвигается по ней с кодона на кодон не плавно, а прерывисто, «шажками», делая при этом короткие остановки. Во время каждой из таких остановок в функциональном центре рибосомы (участке, где осуществляется трансляция) всегда одновременно находятся два соседних кодона информационной РНК.
Каждый раз, когда рибосома приостанавливает свое движение по и-РНК, в процесс биосинтеза белка включаются т-РНК. Непрерывным потоком, двигаясь друг за другом, они начинают перемещаться в рибосому, неся каждая свою аминокислоту. Задержится в рибосоме только та из них, антикодон которой окажется комплементарным первому из двух кодонов и-РНК, находящихся в данный момент в функциональном центре рибосомы. На какой-то миг между ними возникает комплементарная связь, одновременно при помощи фермента от этой т-РНК отцепляется молекула аминокислоты. Освободившаяся от аминокислоты т-РНК опять-таки при помощи определенного фермента отсоединяется от молекулы и-РНК и покидает рибосому. В цитоплазме она вновь способна присоединить к себе такую же аминокислоту. Тем временем рибосома, закончив трансляцию первого кодона и-РНК, передвигается на очередной ее кодон и снова при помощи транспортных РНК продолжает подбирать нужную аминокислоту. Между аминокислотами возникают ковалентные связи, и полипептидная цепочка начинает расти звено за звеном (рис. 15). В зависимости от потребностей клетки рибосома, используя одну и ту же молекулу информационной РНК, может построить сколько угодно одинаковых молекул белка, но, как правило, делает это она не одна. Одновременно по одной молекуле и-РНК могут двигаться, синтезируя одинаковые молекулы белка, сразу несколько рибосом. В совокупности они представляют собой так называемую полирибосому.
Для синтеза белка необходимы ферменты и энергия, которая освобождается при расщеплении АТФ.
Когда рибосома достигает стоп-кодона, синтез молекулы белка заканчивается, и рибосома, а вместе с ней и синтезированная молекула белка, покидают молекулу и-РНК. После этого рибосома попадает на любую другую молекулу и-РНК, а молекула белка — на мембраны эндоплазматического ретикулума с тем, чтобы переместиться в ту часть клетки, где она в данный момент необходима.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ:
1. Пронумеруйте последовательность событий пластического обмена:
А) выполнение синтезированными соединениями их биологических функций
Б) синтез «строительных блоков» из промежуточных соединений
В) синтез макромолекул белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, жиров из «строительных блоков»
Г) синтез промежуточных соединений из низкомолекулярных веществ
2. Определите соответствие между молекулами и их функциями в синтезе белка:
универсальный переносчик энергии;
матрица для синтеза всех типов РНК;
часть рибосомы, которая принимает участие в синтезе белка, работает в цитоплазме;
«подвозит» к месту синтеза белка аминокислоту и определяет в какое место белковой цепочки ее нужно поставить, работает в цитоплазме;
матрица для синтеза белка, работает в цитоплазме вместе с рибосомой
А) и-РНК, Б) т-РНК, В) р-РНК, Г) ДНК
А - _____, Б - ______, В - _______, Г - ______ .
Обозначьте знаком «+» правильные ответы, знаком «-» - неправильные:
А. Трансляция – это процесс синтеза всех типов РНК, который происходит в ядре клетки на матрице – молекуле ДНК
Б. В процессе трансляции информация, которая содержится в иРНК, реализуется, синтезируется соответствующий белок
В. Синтез белка начинается на стадии элонгации
Г. Синтез белка начинается с образования инициирующего комплекса, который образуется в результате объединения иРНК с малой субъединицей рибосомы
4. Пронумеруйте последовательность событий в процессе синтеза белка:
А. Трансляция
Б. Превращение про- и-РНК в зрелую и-РНК
В. Образование пространственной структуры молекулы белка
Г. Транскрипция