Практическая работа № 1 «Пластический обмен. Биосинтез белка»

Практическое занятие № 1

«Пластический обмен. Биосинтез белка»

Учебная цель: познакомиться с реакциями биологического синтеза в клетках живых организмов на примере биосинтеза белков.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы

по теме практического занятия.

Совокупность реакций биологического синтеза (биосинтеза) органиче­ских веществ из неорганических называется пластическим обменом, или ас­симиляцией (лат. "симилис "-сходный, подобный).

Синтезированные вещества используются для построения разных час­тей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Пласти­ческий обмен наиболее интенсивно идет в растущей клетке; во взрослой клетке постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсхо­дованных или разрушенных при повреждениях. Любая живая клетка способ­на синтезировать белки, особенно интенсивно в период роста и развития. Дочерняя клетка синтезирует такие же белки, какие синтезировала материн­ская клетка. Следовательно, способность к синтезу белка передается по на­следству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни. Основ­ная роль в определении структуры белка принадлежит ДНК, разные участки которой определяют синтез различных белков. Одна молекула ДНК участву­ет в синтезе нескольких десятков белков. Каждый участок ДНК, определяю­щий синтез одной молекулы белка, называется геном. Ген - участок двойной спирали ДНК, на котором содержится информация о структуре определен­ного белка.

 Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные органические соединения. Они играют центральную роль в хранении и передаче наследственной информации о свойствах организма. В природе существует  два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые, или ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК. Название произошло от углевода, входящего в состав нуклеиновых кислот. Молекула ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.
В настоящее время известны хромосомальная и внехромосомальная ДНК и рибосомальная, информационная и транспортная РНК, которые участвуют в синтезе белка. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые соединяются при помощи водородных связей между азотистыми основаниями по принципу комплементарности – это принцип строгого соответствия. Цепи соединены антипаралельно. Цепи ДНК в силу своей неравномерности распределения водородных связей закручиваются в спираль. Один виток содержит около 10 нуклеотидов. Количество ДНК в соматических клетках постоянно в пределах одного вида. ДНК обладает важным свойством репликацией. Репликация ДНК происходит в S период клеточного цикла в интерфазе, при подготовке клетки к делению. Полинуклеотидная цепь ДНК состоит из нуклеотидов. В состав любого нуклеотида ДНК входит одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), а также сахар дезоксирибоза (C₅H₁₀O₄) и остаток фосфорной кислоты.

Молекулы ДНК растений и животных содержатся в хромосомах ядра и отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, в которой осуществляется син­тез белков на рибосомах. Первый этап биосинтеза белка называется транс­крипцией (лат. "trans criptio” - переписывание).

В результате процесса транскрипции происходит синтез и-РНК. Транс­крипция происходит не на всей молекуле ДНК, а лишь на небольшом ее уча­стке, отвечающем определенному гену. При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и на одинарной цепочке ДНК, которая теперь будет служить матрицей для синтеза и-РНК, движется фермент ДНК-полимераза. Он соеди­няет между собой нуклеотиды в растущую цепь и-РНК. В результате образу­ется и-РНК, последовательность нуклеотидов которой является копией последовательности нуклеотидов матрицы в соответствии с принципом комплементарности. В ДНК комплементарными парами азотистых оснований, вхо­дящими в состав нуклеотидов, являются аденин (А) и тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В РНК данный принцип сохраняется, но вместо тимина в состав РНК входит урацил (У). Длина каждой молекулы и-РНК в сотни раз короче нити ДНК. Сущ­ность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует уча­сток цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов. Например, участок Т-Т- Т соответствует аминокислоте лизину, А-Ц-А - цистеину, Ц-А-А - валину и т.д.

Три нуклеотида, соответствующие одной аминокислоте, носят назва­ние – триплет. В настоящее время код ДНК расшифрован полностью.

В организме человека синтезируются белки, содержащие в своем составе 20 аминокислот. Для каждой аминокислоты введено свое условное обозначение:

Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.

Генетический код имеет несколько свойств.

1. Триплетность.

2. Вырожденность или избыточность.

3. Однозначность.

4. Полярность.

5. Неперекрываемость.

6. Компактность.

7. Универсальность.

Триплетность. Генетический код, как и многие сложно организованные системы имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты и-РНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию. Как видно из определения, триплет – это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три нуклеотидов). Кодон – характеризует элементарную смысловую единицу генома – три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты, являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три – УАА, УАГ, УГА, их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон.

Механизм действия стоп-кодонов отличается от механизма действия смысловых кодонов. Это следует из того, что для всех кодоны, кодирующие аминокислоты, найдены соответствующие т-РНК. Для нонсенс-кодонов т-РНК не найдены. Следовательно, в процессе остановки синтеза белка т-РНК не принимает участие.

Кодон АУГ (у бактерий иногда ГУГ) не только кодируют аминокислоту метионин и валин, но и является инициатором трансляции.

Вырожденность или избыточность. 61 из 64 триплетов кодируют 20 аминокислот. Такое трёхразовое превышение числа триплетов над количеством аминокислот позволяет предположить, что в переносе информации могут быть использованы два варианта кодирования. Во-первых, не все 64 кодона могут быть задействованы в кодировании 20 аминокислот, а только 20 и, во-вторых, аминокислоты могут кодироваться несколькими кодонами. Исследования показали, что природа использовала последний вариант. Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов. Так, аминокислота лейцин может кодироваться шестью триплетами — УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валин кодируется четырьмя триплетами, фенилаланин — двумя и только триптофан и метионин кодируются одним кодоном. Свойство, которое связано с записью одной и той же информации разными символами носит название вырожденность. Число кодонов, предназначенных для одной аминокислоты, хорошо коррелируется с частотой встречаемости аминокислоты в белках. Вырожденность генетического кода с общебиологических позиция являются защитными механизмами, которые заложены в эволюции в уникальной структуре ДНК и РНК.

Однозначность. Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон – аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота – кодон – неоднозначен (вырожденный).

Полярность. Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.).

Неперекрываемость. Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов. Сущность неперекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного кодона не может быть одновременно нуклеотидом другого кодона

Компактность. Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах.

Универсальность. Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений.

По приведенной ниже таблице генетических кодов можно определить, какая аминокислота соответствует триплету ДНК или и-РНК.

Для и-РНК азотистые ос­нования приведены вне скобок, для ДНК в скобках. Первый нуклеотид в триплете берется из левого вертикального ряда, второй - из верхнего горизонтального и тре­тий - из правого вертикального. Там, где пересекутся линии, идущие от всех трех нуклеотидов, и находится искомая аминокислота.

Например, триплет и-РНК У ГГ соответствует аминокислоте триптофану, триплет ДНК ГЦА соответствует аминокислоте аргинину. Таким же образом мож­но определить, какими триплетами закодированы аминокислоты. Например, одним из кодов в молекуле ДНК дла аминокислоты валина будет ЦАА.

Для осуществления дальнейшего процесса молекулы и-РНК направля­ются к рибосомам, на которых и происходит синтез белка. Туда же из цито­плазмы поступают аминокислоты, доставляемые т-РНК. Поскольку в по­строении белков участвуют 20 аминокислот, то существуют не менее 20 раз­ных т-РНК. В ряде мест цепочки т-РНК имеются 4-7 последовательных нук­леотидных звеньев, комплементарных друг другу. Здесь образуются водород­ные связи. Образуется сложная петлистая структура, похожая на листок кле­вера. У его верхушки расположен триплет нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам триплета и-РНК, их называют антикодонами. У ножки "листа клевера" находится участок, связывающий аминокислоту.

Синтез полипептидных цепей белков по матрице и-РНК, выполняемый рибо­сомами, называется трансляцией (лат. "translatio" - перевод). Как происходит синтез? Рибосомы, состоящие из двух полисом, как бы нанизываются на и-РНК.

Первая рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с ле­вого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК. Как только первая рибосома продви­нется вперед, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает сборку и движется вслед за первой, затем вступает третья и т.д. Все рибосомы выполняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Когда рибосома достигает противоположного конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком сходит с РНК. Затем они расходятся: ри­босома - на любую и-РНК, поскольку она способна к синтезу любого белка (характер белка зависит от матрицы и-РНК), белковая молекула - в эндоплазматическую сеть. Размер участка рибосомы, в котором происходит трансля­ция, соответствует длине 6 нуклеотидов, т.е. двум триплетам. Следовательно, когда рибосома скользит по и-РНК, в функциональном центре ее всегда на­ходится два соседних триплета нуклеотидов. Когда т-РНК поступает на рибо­сому, антикодон узнает "свой" триплет и-РНК. На рибосоме имеется два уча­стка для связывания двух молекул т-РНК: сначала т-РНК с аминокислотой присоединяется к своему триплету, затем аминокислота присоединяет к себе растущую цепь белка с образованием пептидной связи. После этого на рибо­сому поступает новая т-РНК. Аминокислоты в синтезируемом белке соеди­нены в той же последовательности, в которой расположены шифрующие их триплеты в и-РНК. Отдав аминокислоту, т-РНК покидает рибосому и присое­диняет к себе следующую аминокислоту для транспортировки на рибосому. Операция трансляции занимает не более 1/5-1/6 с и полипептидная цепь уд­линяется на одно звено. Синтезируется полипептидная цепь в течение не­скольких секунд. Синтез белка в клетках идет с участием различных фермен­тов. С участием же ферментов происходит синтез ДНК, и-РНК. Существуют особые ферменты, обеспечивающие захват и соединение аминокислот с их т- РНК, а в рибосоме работает фермент, сцепляющий аминокислоты между со­бой. Любой процесс синтеза происходит с затратой энергии в виде АТФ: при расщеплении АТФ образуется энергия, необходимая для синтеза белков. Так, на образование ковалентной связи между т-РНК и "своей" аминокислотой за­трачивается энергия одной молекулы АТФ.

Вопросы для закрепления теоретического материала к практическому занятию

1. Из каких нуклеотидов состоят ДНК и РНК?

2. Перечислите этапы биосинтеза белка.

3. Дайте определение транскрипции, трансляции.

4. Перечислите свойства кода ДНК.

Задания для практического занятия:

Вариант 1

1.Спишите текст, вставив недостающие термины.

Совокупность реакций биологического синтеза органических веществ из неорганических называется________.

В клетке постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных или разрушенных при повреждениях. Любая живая клетка способна синтезировать белки, особенно интенсивно в период роста и разви­тия. Основная роль в определении структуры белка принадлежит__________, ра

ные участки которой определяют синтез различных белков. Каждый участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка, называется________.

Первый этап биосинтеза белка называется______. В результате данного процесса происходит синтез________.

Следующий этап - синтез полипептидных цепей белков по матрице и-РНК, выполняемый рибосомами, называется_____________.

2.Заполните таблицу:

Виды РНК принимающие участие в биосинтезе белка

3.Заполните таблицу:

Синтез белков.

4. Одна из цепей участка молекулы ДНК имеет следующее строение: Г-Т-Т-Т-Ц-Г-Ц-Ц-А-Т-Г-А-Ц-Т-Г

1. достройте вторую цепь молекулы ДНК

2. постройте соответствующую второй цепи ДНК - и-РНК

3. сколько аминокислот соответствуют данной и-РНК

Вариант 2

1.Спишите текст, вставив недостающие термины.

Совокупность реакций биологического синтеза органических веществ из неорганических называется________.

В клетке постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных или разрушенных при повреждениях. Любая живая клетка способна синтезировать белки, особенно интенсивно в период роста и разви­тия. Основная роль в определении структуры белка принадлежит__________, ра

ные участки которой определяют синтез различных белков. Каждый участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка, называется________.

Первый этап биосинтеза белка называется______. В результате данного процесса происходит синтез________.

Следующий этап - синтез полипептидных цепей белков по матрице и- РНК, выполняемый рибосомами, называется_____________.

2.Заполните таблицу:

Виды РНК принимающие участие в биосинтезе белка

3.Заполните таблицу:

Синтез белков.

Одна из цепей участка молекулы ДНК имеет следующее строение:

Т-А-Т-Г-Ц-Г-Ц-А-А-Т-Т-А-Ц-Г-Г

1. достройте вторую цепь молекулы ДНК

2. постройте соответствующую второй цепи ДНК - иРНК

3. сколько аминокислот соответствуют данной иРНК

Порядок выполнения отчёта по практическому занятию

В тетради напишите номер, название и учебную цель занятия.

1. Выполните задание №1.

2. Выполните задание №2.

3. Выполните задание №3.

4. Выполните задание №4.

Ответьте на вопросы для закрепления теоретического материала к практическому занятию.