Разработка урока на тему: Генетический код. Транскрипция.

Генетический код. Транскрипция. Синтез белков в клетке.

Цель урока: раскрыть сущность пластического обмена и одного из важнейших процессов жизнедеятельности клеток – биосинтеза белка, сформировать знания о генетической информации, генетическом коде, его свойствах, матричных реакциях, особенностях транскрипции и трансляции.

Задачи урока:

• Сформировать знания о значении биосинтеза белков для живых организмов, о двух этапах биосинтеза белков в клетке – транскрипции и трансляции;

• Показать, как последовательность нуклеотидов в ДНК кодирует последовательность аминокислот в полипептиде;

• Дать характеристику генетическому коду и основным его свойствам с позиции единства происхождения всех живых организмов Земли;

• Рассмотреть особенности транскрипции у эукариот;

• Проверить знания о хранении информации о белках в ДНК, репликации ДНК.

Методическое обеспечение:

• таблицы по общей биологии “Генетический код», «Синтез белков»,

• дидактический материал «биосинтез белка» для проведения групповой работы,

• приложение: презентация.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Активизация опорных знаний по теме “Белки”

Учитель предлагает обучающимся определить объект изучения.

Слайд 1. На экране записаны слова:

Миозин, Актин, Пероксидаза, Гемоглобин, Инсулин, у-глобулин, Липопротеины

Обучающиеся. Это все белки!

Учитель. Правильно. Что такое белки?

Строение белков определяет их свойства и функции.

Вспомните, какие функции выполняют белки, упомянутые нами в начале урока.

Миозин, актин – специальные сократительные белки, обеспечивающие сокращение и расслабление мышц при движении.

Пероксидаза – фермент, разрушающий пероксид водорода до воды и кислорода.

Гемоглобин – транспортный белок, входящий в состав эритроцитов крови и способствующий переносу кислорода,

Инсулин – гормон поджелудочной железы, регулирующий уровень сахара в крови.

у-глобулин - белок плазмы крови, участвующий в иммунных реакциях организма. Это белок из группы антител, которые связываются с антигенами.

Липопротеины - белки, выполняющие строительную функцию.

Слайд 2. На экране выстраиваем схему:

– Исходя из перечисленных функций белков, становится понятной та роль, которую они играют в жизнедеятельности клетки и организма в целом.

– В каждой клетке синтезируются несколько тысяч различных белковых молекул. Белки недолговечны, время их существования ограничено, после чего они разрушаются.

Слайд 3,4 III. Тема урока: “Биосинтез белка”.

Изучение нового материала.

1. Постановка проблемы

– Что позволяет постоянно пополнять уровень белков в организме без ухудшения их свойств?

Групповая работа.

Задание. Сопоставьте три факта:

А). Молекулы белков (например, гемоглобина) в клетке расщепляются, разрушаются (диссимиляция) и заменяются новыми молекулами того же белка.

Б). Молекулы белка не обладают свойствами редупликации, как нуклеиновые кислоты, поэтому из одной молекулы белка не могут создаваться две, как это происходит с ДНК.

В). Несмотря на это, вновь синтезируемые в клетке тысячи молекул одного вида белка являются точными копиями разрушенных (по структуре, свойствам и функциям).

Как, по вашему мнению, происходит синтез большого количества одинаковых молекул одного и того же белка, хотя редупликацией белок не обладает?

Предполагаемый ответ:

Синтезируемые в клетке тысячи молекул одного вида белка являются точными копиями разрушенных (по структуре, свойствам и функциям).

Известно, что они не могут создаваться путем редупликации, как это происходит с ДНК. Но синтез большого числа одинаковых молекул возможен, так как молекулы ДНК являются носителями наследственной информации, то есть в них записана информация о всех белках клетки и организма в целом.

Слайд 5,6,7 Генетический код.

– Да, в организме (клетке) существует единая белоксинтезирующая система. В нее входит система нуклеиновых кислот, состоящая из ДНК и РНК, рибосомы и ферменты. Причем информация о белках, заключенная в молекулах ДНК, вначале переносится на u-РНК; которая затем программирует синтез белков клетки.

Задача. 1. Участок гена состоит из следующих нуклеотидов: ГАГ ААТ ТГГ ЦТА АЦА ГТА ТГЦ ГАЦ ЦАЦ ГЦЦ ГТЦ ТТГ ЦЦГ ТТЦ ЦГГ ААА. Выписать Последовательность аминокислот в белковой молекуле, кодируемой этим геном.

2. Установите число аминокислот в полипептидной цепи, если этот полипептид синтезируется на и-РНК, состоящей из 840 нуклеотидов.

Слайд 8,9,10

2. Транскрипция – первый этап биосинтеза белка.

Первый этап переноса генетической информации с ДНК в клетку заключается в том, что генетическая информация в виде последовательности нуклеотидов ДНК переводится в последовательность нуклеотидов u-РНК. Этот процесс получил название транскрипции (лат. “transcriptio”– переписывание). Транскрипция, или биосинтез u-РНК на исходной ДНК, осуществляется в ядре клетки ферментативным путем по принципу комплиментарности.

Двигаясь по цепи ДНК вдоль необходимого гена, РНК-полимераза подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в цепочку в виде молекулы u-РНК. В конце гена или группы генов фермент встречает сигнал (также в виде определенной последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания. Готовая u -РНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белка.

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.
Задача: 1. Участок молекулы ДНК имеет следующий вид: ГТАЦЦГТАТЦТГАЦЦТГГАГЦ. С этой цепи транскрибируется и-РНК, причем матрицей служит комплементарная цепь. Определить последовательность нуклеотидов в и-РНК и количество аминокислот, закодированных в ДНК.

2. Вспомните принцип комплементарности и решите задачу: какое строение будет иметь молекула РНК, если порядок нуклеотидов в цепочке определенного гена, на которой она синтезируется, имеет следующую последовательность: ГТГТААЦГАЦЦГАТАГТГТА …или АГГЦЦТАГГЦТАТААГЦЦГТ…

Слайд 11. Активизация опорных знаний.

1. Можно ли утверждать, что белки у одного вида одинаковы?

2. Укажите пары комплементарных нуклеотидов в ДНК.

3. Сколько различных аминокислот закодировано на ДНК эукариот кодовами триплетами?

4. Сколько кодовых триплетов кодируют все многообразие аминокислот, входящих в состав белков?

5. Что такое транскрипция?

6. Что является матрицей при транскрипции?

Слайд 12, 13.

Транспортные РНК.

Расшифровка генетической информации в рибосоме происходит с помощью молекулы т-РНК. Они тоже образуются в ядре на специальных участках ДНК, как на матрице. Из ядра молекула т-РНК выходят в цитоплазму к рибосомам. Она состоит из 70-90 нуклеотидов, она сворачивается и по форме напоминает лист клевера. В т-РНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. Главная функция т-РНК - принести аминокислоту, взаимосвязь с аминокислотой происходит в цитоплазме вне рибосомы. К акцепторному участку т-РНК с помощью специального фермента присоединяется та аминокислота, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.

Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может иметься 61 вид т-РНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько т-РНК. Установлено существование нескольких т-РНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне т-РНК не всегда важен), поэтому обнаружено всего более 30 различных т-РНК.

Задача: Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли т-РНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: АЦГЦЦГЦТААТТЦАТ. Установите нуклеотидную последовательность участка т-РНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта т-РНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону т-РНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

3. Трансляция - второй этап биосинтеза белков в клетке

Свойства генетического кода (Отвечают учащиеся).

Слайд 14, 15.

Строение рибосомы. Комментарии учителя.

Природа создала универсальную организацию рибосом. Какой бы живой организм мы ни взяли, в любых его клетках рибосомы построены по единому плану: они состоят из двух субчастиц – большой и малой. Малая субчастица отвечает за генетические, декодирующие функции; большая - за биохимические, ферментативные.

В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр (ФЦР) с двумя участками – акцепторным и донорным, где размещаются т-РНК с аминокислотой, и участок для молекулы и-РНК. В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов u -РНК: три - в акцепторном, три - в донорном участках. Рибосома перемещается по и-РНК, каждый раз сдвигаясь на три азотистых основания (один триплет).

Слайд 16,17. Комментарии учителя. Трансляция

Синтез полипептидной цепи белковой молекулы начинается с активации аминокислот, которую осуществляют специальные ферменты. Каждой аминокислоте соответствует как минимум один фермент. Фермент обеспечивает присоединение аминокислоты к акцепторному участку m-РНК с затратой энергии АТФ.

Функционирование рибосомной системы начинается с того, что кодон АУГ, расположенный на первом месте в и-РНК, занимает место в рибосоме, и специальная т-РНК приносит в донорный участок формилметионин – измененную форму аминокислоты метионина. Когда кодон АУГ находится не на первом месте и-РНК, он кодирует метионин.

Любая полипептидная цепь начинается с формилметионина, который в дальнейшем отщепляется. Далее к образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы, после чего весь рибосомный комплекс начинает перемещаться вдоль u-РНК. При этом акцепторный участок ФЦР находится впереди, а донорный участок - сзади.

К акцепторному участку поступает вторая m -РНК, чей антикодон комплиментарен кодону u -РНК, находящемуся в данном участке ФЦР. Когда две т-РНК с аминокислотами занимают свои места в рибосоме, аминокислоты оказываются очень близко к дру другу, и ферменты, входящие в состав рибосом, соединяют их пептидной связью. Образуется маленькая белковая молекула, состаящая из двух аминокислот. После чего формилметиониновая m-РНК отсоединяется, а растущую цепь белка акцептирует (присоединяет) вторая m-РНК.

В следующий момент рибосома целиком передвигается в направлении следующего кодона u-РНК, а формилметиониновая m-РНК выталкивается в цитоплазму. В освободившийся акцепторный участок приходит новая m-РНК, связанная аминокислотой, которая шифруется очередным кодоном и-РНК, снова происходит образование пептидной связи, и белковая молекула удлиняется еще на одно звено. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока рибосома не дойдет до одного из кодонов и-РНК, являющихся «знаком препинания». Так как не существует антикодонов, комплементарных стоп-кодонам, ни одна т-РНК не может занять место в акцепторном участке и принести аминокислоту. Полипептидной цепи не за что удержаться и она покидает рибосому. При этом формилметионин отщепляется. Соединение аминокислот в полипептидную цепь осуществляется в месте выхода каналоподобной структуры в пространство (зазор) между большой и малой субчастицами рибосомы так, что синтезируемый белок располагается в этой каналоподобной структуре и по завершении синтеза через пору в мембране ЭПС поступает в ее внутреннее пространство для окончательного формирования и транспорта по месту назначения. Процесс завершения синтеза белковой молекулы называется терминацией.

Для увеличения эффективности функционирования и-РНК часто соединяется не с одной, а с несколькими рибосомами. Такой комплекс называется полисомой, на котором протекает одновременный синтез нескольких полипептидных цепей.

Таким образом, процесс синтеза белка представляет собой серию ферментативных реакций, идущих с затратой энергии АТФ.

1. Сформулировать определение, что такое трансляция.

2. Определить, что необходимо для трансляции:

   • и-РНК, кодирующая последовательность аминокислот в полипептиде;

   • рибосомы, декодирующие и-РКН и образующие полипептид;

   • т-РНК, транспортирующие аминокислоты в рибосомы;

   • энергия в форме АТФ для присоединения аминокислот к рибосоме и для работы рибосомы;

   • аминокислоты, строительный материал;

   • ферменты

Слайд 18. 4. Решение задач.

Выполните упражнение: 1. Установите последовательность этапов синтеза белка:

1. Попадание фрагмента и-РНК в акцепторный участок функционального центра рибосомы (ФЦР);

2. Присоединение т-РНК с аминокислотой к соответствующему кодону и-РНК в акцепторном участке ФЦР;

3. Перемещение  т-РНК  с  растущим  белком  в  донорный  участок ФЦР;

4. Транскрипция;

5. Удлинение полипептидной цепи на одну аминокислоту;

6. Присоединение аминокислот к соответствующим т-РНК. (4,6,1,2,5,3)

2. С какой же скоростью осуществляются реакции синтеза белков?

Какова скорость синтеза белка у высших организмов, если на сборку инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, затрачивается 7,3 с?

Решение задачи:

5I : 7,3 = 7 (аминокислот в 1 сек.).

(Ответ: в 1 сек. сливается 7 аминокислот.)

- Действительно, скорость передвижения рибосомы по u -РНК составляет 5–6 триплетов в секунду, а на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, клетке требуется 1-2 минуты.

- Инсулин является первым белком, синтезированным искусственно. Но для этого потребовалось провести около 5000 операций, над которыми трудились 10 человек в течение 3 лет.

VI. Закрепление

Тест-задание.

V. Домашнее задание

1. Учебник “Общая биология” под ред. академика А.А. Каменской, Е.А. Криксунова, В.В. Пасечника, параграф 26

Литература:

1. Г.А. Адельшина, Ф.К. Адельшин «Генетика в задачах» учебное пособие по курсу биологии, М «Глобус» 2009.

2. А.А. Каменской, Е.А. Криксунова, В.В. Пасечника “Общая биология. Учебник 10-11 классы”- М. “Дрофа”. 2005.

3. Т.А. Козлова. Тематическое и поурочное планирование по общей биологии.- М. «Экзамен». 2006.

4. ЕГЭ Биология. Контрольные измерительные материалы 2010-2011. – М. Просвещение.

5. А.В. Пименов «Уроки биологии» Я «Академия развития» 2001