Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая реализуется, сохраняется, воспроизводится или совершенствуется в четырёх генетических процессах: синтезе РНК и белка, репарации ДНК, репликации ДНК и генетической рекомбинации. На долю белков приходится обычно больше половины сухой массы клетки, и синтез их играет главную роль в таких процессах как рост и дифференцировка клеток, поддержание их структуры и функции.

Зависит от совместного действия нескольких классов молекул РНК. Сначала в результате копирования ДНК, несущей информацию о синтезируемом белке, образуется молекула матричной РНК (мРНК). К каждой из 20 аминокислот, из которых строится белок, присоединяется молекула специфической транспортной РНК (тРНК), а к субъединицам рибосомы, на которой происходит синтез, присоединяются некоторые вспомогательные белковые факторы.

Началом синтеза белка в клетке считается момент, когда эти компоненты объединяются в цитоплазме, образуя функциональную рибосому. По мере того как мРНК шаг за шагом продвигается сквозь рибосому, её нуклеотидная последовательность переводится (транспортируется) в соответствующую последовательность аминокислот, в результате создаётся определённая белковая цепь.

Синтез РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией. В результате транскрипции образуются молекулы мРНК, несущие информацию для синтеза белка в клетке, а также транспортные, рибосомные и другие виды молекул РНК, выполняющие структурные и каталитические функции. Синтез этих молекул РНК - копий нуклеотидных последовательностей участков молекулы ДНК - катализируется ферментами, которые называются РНК-полимеразами.

Связь РНК-полимеразы оказывается очень прочной, если РНК-полимераза присоединяется к специфической последовательности ДНК, к так называемому промотору, содержащему старт-сигнал для синтеза РНК, то есть к сайту, с которого этот синтез должен начаться. Реакции, которые из этого вытекают, характеризуются следующим: присоединившись к промотору, РНК-полимераза раскручивает свой участок двойной спирали, обнажая таким образом нуклеотиды на коротком отрезке каждой из двух цепей ДНК. Одна из этих двух разделённых цепей должна стать матрицей для комплементарного спаривания основной ДНК с основаниями поступающих мономеров – рибонуклеозидтрифосфатов. Полимераза соединяет между собой два первых поступающих мономера и тем самым кладёт начало синтезируемой цепи РНК. Затем РНК-полимераза, продвигаясь шаг за шагом вдоль ДНК, раскручивает перед собой спираль ДНК, обнажая всякий раз новый участок матрицы для комплементарного спаривания оснований. Добавляя к растущей цепи РНК по одному нуклеотиду, она постепенно наращивает цепь.

Процесс удлинения цепи РНК продолжается до тех пор, пока фермент не встретит на своём пути еще одну специфическую нуклеотидную последовательность в цепи ДНК, - а именно сигнал терминации транскрипции (стоп-сигнал). Достигнув этой точки, полимераза отделяется и от матричной ДНК, и от вновь синтезированной цепи РНК. Во время продвижения фермента вдоль матричной цепи в его активном центре образуется двойная спираль РНК-ДНК. Позади молекулы полимеразы, закончившей свою работу синтеза ДНК-РНК, немедленно восстанавливается спираль ДНК-РНК, а РНК вытесняется. Каждая завершенная цепь РНК отделяется от ДНК-матрицы в виде свободной одноцепочечной молекулы, в которой число нуклеотидов колеблется от 70 до 10000.

Транскрибируется, как правило, одна из цепей ДНК. Какая из двух цепей будет транскрибироваться, определяется промотором, нуклеотидная последовательность которого ориентирована таким образом, чтобы направить РНК-полимеразу на тот или иной путь.

Известно также, что в определении того, какие участки ДНК будут транскрибироваться РНК-полимеразой, важную роль играют особые белки , регулирующие активность генов. Именно от них в первую очередь и зависит, какие белки будет вырабатывать клетка. Далее, в клетках эукариот большинство РНК-транскриптов ДНК покинут клеточное ядро и перейдут в цитоплазму в виде мРНК, претерпевая существенные изменения - подвергаясь сплайсингу.

Во всех клетках имеется набор транспортных РНК (тРНК) - небольших молекул, размеры которых колеблются от 70 до 90 нуклеотидов. Эти РНК, присоединяясь одним своим концом к специфическому кодону мРНК, а другим присоединяя аминокислоту, кодируемую данным триплетом, позволяют аминокислотам выстраиваться в порядке, диктуемом нуклеотидной последовательностью мРНК.

Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот, используемых в синтезе белка. Транспортную РНК, переносящую глицин, обозначают как тРНК Gly и т.д. Для каждой из 20 аминокислот имеется один тип тРНК. Важно при этом, что каждая аминокислота ковалентно присоединяется к тРНК, содержащей правильный антикодон - трехнуклеотидную последовательность, комплементарную трехнуклеотидному кодону, определяющему эту аминокислоту в молекулу мРНК. Спаривание кодона с антикодоном позволяет каждой аминокислоте включиться в растущую белковую цепь в том порядке, который диктуется нуклеотидной последовательностью мРНК. Так что генетический код используется для перевода (трансляции) нуклеотидных последовательностей нуклеиновых кислот в аминокислотные последовательности белков.

нить мРНК окрашена красным цветом, рибосомы - синим, растущие полипептидные цепи - зелёным. (Фото Dr Elena Kiseleva).

Присоединяясь одним концом к аминокислоте, а другим спариваясь с кодоном, тРНК переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот. Функция тРНК зависит от трёхмерной структуры её молекулы. В каком именно месте будет присоединена к растущей полипептидной цепи данная аминокислота, зависит не от самой аминокислоты , а от присоединившей её молекулы тРНК. Молекула тРНК ковалентно присоединяется именно к той аминокислоте из всех двадцати аминокислот, которая является её настоящим партнером. Механизм этот связан с участием ферментов, называемых аминоацил-тРНК-синтазами, которые присоединяют аминокислоту к соответствующему набору молекул тРНК. Для каждой из аминокислот имеется своя особая синтетаза (всего таких синтетаз 20): одна присоединяет, например, глицин к тРНК Gly , другая - аланин к тРНК Ala и т.д. Таким образом, молекулы тРНК играют роль конечных адаптаторов, переводящих информацию, заключённую в нуклеотидной последовательности нуклеиновой кислоты, на язык белка.

Для осуществления реакций белкового синтеза требуется сложный каталитический стимул. Растущий конец полипептидной цепи должен определённым образом подстраиваться к молекуле мРНК для того, чтобы каждый последующий кодон мРНК точно соединился с антикодоном тРНК, не проскочив ни на один нуклеотид. В противном случае это приведет к сдвигу последовательности считывания.

Более половины массы рибосомы составляет РНК (рРНК), которая играет ключевую роль в каталитической активности рибосомы. В рибосоме имеются три различных участка, с которыми связывается РНК - один для мРНК и два для тРНК. Из двух последних один участок удерживает молекулу тРНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи, поэтому его называют пептидил-тРНК - связывающим участком, или Р-участком.

Второй участок служит для удержания только прибывшей молекулы тРНК, нагруженной аминокислотой. Его называют аминоацил-тРНК-связывающим участком, или А-участком. К обоим участкам молекула тРНК прочно прикрепляется лишь в том случае, если её антикодон спаривается с комплементарным ему кодоном мРНК. А- и Р-участки располагаются очень близко друг к другу - так, что две связанные с ними молекулы тРНК спариваются с двумя соседними кодонами в молекуле мРНК.

Процесс наращивания полипептидной цепи на рибосомах может рассматриваться как цикл, слагающийся из трёх отдельных этапов:

1. Молекула аминоацил-тРНК связывается со свободным участком рибосомы, примыкающим к занятому Р-участку. Связывание осуществляется путём спаривания нуклеотидов антикодона с тремя нуклеотидами мРНК, находящимися в А-участке.
2. На втором этапе происходит отделение карбоксильного конца полипептидной цепи в Р-участке от молекулы тРНК и образуется пептидная связь с аминокислотой, присоединённой молекулой тРНК в А-участке.
3. Новая пептидил-тРНК переносится в Р-участок рибосомы, в то время как рибосома продвигается вдоль молекулы мРНК ровно на три нуклеотида.

Процесс транслокации, составляющий третий этап, включает в себя и возвращение свободной молекулы тРНК, отделившейся от полипептидной цепи в Р-участке во время второго этапа цитоплазматического пула тРНК. Поэтому после завершения третьего этапа незанятый А-участок может принять новую молекулу тРНК, нагруженную очередной аминокислотой, то есть цикл может начаться снова.

Весьма энергоёмкий процесс. Образование каждой новой пептидной связи сопровождается расположением четырёх высокоэнергетических фосфатных связей. Две из них расходуются, чтобы нагрузить аминокислотой молекулу тРНК, а две - на сам синтез в цикле реакций, протекающих на рибосоме. При завершении цикла пептидилтранфераза присоединяет к пептидил-тРНК не аминокислоту, а молекулу H 2 O, в силу чего карбоксильный конец растущей полипептидной цепи отделяется от молекулы тРНК - белковая цепь оказывается свободной и поступает в цитоплазму.

Таким образом, вновь сформированная после митотического деления клетка наделена видовой преемственностью наследственного материала, в результате перехода его в процессе деления в равном количестве в обе дочерние клетки. Дочерние клетки продолжают эволюционно закреплённый процесс видового метаболизма, приобретая свойства, характерные для клеточной популяции тканевой принадлежности. Поэтому в короткий промежуток вновь сформированные клетки проходят специализацию (дифференцировку) согласно их основной генетически закреплённой принадлежности. Ряд свойств становятся крайне общими для всех клеток, независимо от того, в какой тканевой системе им приходится выполнять свой жизненный цикл. Для выполнения своих функций клетки наделены рядом высокоспециализированных свойств.

Источники:
Цитофизиология / Луценко М.Т. // Новосибирск-Благовещенск, 2011.

План-конспект урока : «Синтез белков в клетке»

(Для профильного 10-ого класса, время урока - на 2 часа)

Учитель: Мастюхина Анна Александровна

МОУ «СОШ имени генерала Захаркина И.Г.»

Задача урока:

Образовательная: изучить особенности биосинтеза белков в клетке , изучить понятия: ген, генетический код, триплет, кодон, антикодон, транскрипция, трансляция, полисома ; п родолжить формирование знаний о механизмах биосинтеза белка на примере трансляции; выяснить роль транспортных РНК в процессе биосинтеза белка; раскрыть механизмы матричного синтеза полипептидной цепи на рибосомах.

Развивающая: в целях развития познавательного интереса учащихся заранее подготовить сообщения(«Интересные факты о гене», «Генетический код»,«Транскрипция и трансляция») . Для развития навыков практического труда составит синквейн. В целях развития логического мышления научится решать задачи.

Воспитательная: В целях формирования научного мировоззрения доказать важность и значимость синтеза белков в клетках, а также их жизненную необходимость.

Ф.О.У.Р .: урок.

Тип урока : комбинированный

Вид урока : с презентацией « Синтез белков в клетке » и демонстрацией магнитных моделей.

Оборудование: презентация «Синтез белков в клетке »; таблица «Генетический код»; Схема «Образование и-РНК по матрице ДНК (транскрипция)»; Схема «Строение т-РНК»; Схема «Синтез белка в рибосом (трансляция)»; Схема «Синтез белка на полисоме»; Карточки с заданиями и кроссворд; магнитные модели.

Ход урока:

Методы и методические приемы:

I .Организация класса.

На предыдущих уроках мы изучали вещества, называемые нуклеиновыми кислотами. В следствии

чего рассмотрели два их вида: ДНК и РНК, ознакомились с их строением и функциями. Выяснили что в состав каждой из нуклеиновых кислот входят четыре различных азотистых основания, которые соединяются друг с другом по принципу комплементарности. Все эти знания понадобятся нам при изучении сегодняшней новой теме. Итак запишите ее название в своих рабочих тетрадях «Синтез белка в клетке».

II .Изучение нового материала:

1)Актуализация знаний:

Прежде, чем приступить к изучению новой темы, вспомним: что такое обмен веществ (метаболизм):

МЕТАБОЛИЗМ – совокупность всех ферментативных реакций клетки, связанных между собой и с внешней средой, состоящая из пластического
и энергетического обменов.

Давайте составим синквейн, первое слово которого - обмен веществ. (1-обмен веществ

2-пластический, энергетический

3-протекает,поглощает,выделяет

4-совокупность ферментативных реакций клетки

5-метаболизм)

Биосинтез белка относится к реакциям пластического обмена.

Биосинтез белка – важнейший процесс в живой природе. Это создание молекул белка на основе информации о последовательности аминокислот в его первичной структуре, заключенной в структуре ДНК

Задание: закончите предложения, вписав недостающие термины.

1. Фотосинтез – это … (синтез органических веществ на свету).

2. Процесс фотосинтеза осуществляется в органеллах клетки – … (хлоропластах).

3. Свободный кислород при фотосинтезе выделяется при расщеплении … (воды).

4. На какой стадии фотосинтеза образуется свободный кислород? На … (световой).

5. В течение световой стадии … АТФ. (Синтезируется.)

6. В темновой стадии в хлоропласте образуется … (первичный углевод – глюкоза).

7. При попадании солнечного счета на хлорофилл происходит … (возбуждение электронов).

8. Фотосинтез происходит в клетках … (зеленых растений).

9. Световая фаза фотосинтеза происходит в … (тилакоидах).

10. Темновая фаза происходит в … (любое) время суток.

Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является присущих ей белков.

Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих , органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки «изготовляют» белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно.

2)Изучение нового материала:

Синтез белка требует больших затрат энергии.

Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является . Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот в их молекуле. В свою очередь наследственная о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков.

Генетический код.

Каждой аминокислоте белка в соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов - триплет. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (рис. 33). 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. можно закодировать 64 различных аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов - кодонов.

Предполагается, что такое свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отразиться на 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 и конец того или иного гена.

Очень важное свойство генетического кода - специфичность, т. е. один триплет всегда обозначает только одну- единственную аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерий до человека.
Транскрипция. Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в клетки. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК (рис. 34). Это происходит следующим образом: против, например, гуанина молекулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против аденина молекулы ДНК - урацил РНК (вспомните, что в РНК в нук- леотиды вместо тимина включен урацил), напротив тимина ДНК - аденин РНК и напротив цитозина ДНК - гуанин РНК. Таким образом, формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил название транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу жмогут взаимодействовать с рибосомами, и начинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму.
В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (т-РНК).

Транспортные РНК.

Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входят около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 35). Их молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному «на верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой Т-РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.

Трансляция.

В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка - трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 36). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на ко-тором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке (рис. 37). В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую растущую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать строящийся» белок. Когда же в рибосоме оказывается один лз триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна т-РНК к такому триплету присоединиться не може:т, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно 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 и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, четвертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомой.

Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, структура которого закодирована в новой и-РНК.

Таким образом, трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.

Подсчитано, что все белки организма млекопитающего могут быть закодированы всего двумя процентами ДНК, содержащимися в его клетках. А для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого гена. Вот почему все клетки, например человеческого организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтезировать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других - задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах.

Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуются специализированные ферменты.

IV .Закрепление материала:

Заполните таблицу:

В-1

Биосинтез белка состоит из двух последовательных этапов: транскрипции и трансляции.

Решите задачу 1:

Даны антикодоны тРНК: ГАА, ГЦА, ААА, АЦГ. Используя таблицу генетического кода, определите последовательность аминокислот в молекуле белка, кодоны иРНК и триплеты во фрагменте гена, кодирующего этот белок.

Решение:

Кодоны иРНК: ЦУУ – ЦГУ – УУУ – УГЦ.

Последовательность аминокислот: лей – арг – фен – цис.

Триплеты ДНК: ГАА – ГЦА – ААА – АЦГ.

Задание 2

ТГТ-АЦА-ТТА-ААА-ЦЦТ. Определить последовательность нуклеотидов иРНК и последовательность аминокислот в белке, который синтезируется под контролем этого гена.

Ответ: ДНК: ТГТ-АЦА-ТТА-ААА-ЦЦТ

иРНК: АЦА-УГУ-ААУ-УУУ-ГГА

Белок: тре---цис---асп---фен---гли.

В-2

Решите задачу 1:

Дан фрагмент двуцепочечной молекулы ДНК. Воспользовавшись таблицей генетического кода, определите структуру фрагмента белковой молекулы, кодируемой этим участком ДНК:

ААА – ТТТ – ГГГ – ЦЦЦ

ТТТ – ААА – ЦЦЦ – ГГГ.

Решение:

Так как иРНК синтезируется всегда только на одной цепи ДНК, которую на письме принято изображать как верхнюю, то

иРНК: УУУ – ААА – ЦЦЦ – ГГГ;

фрагмент белка, кодируемый верхней цепью: фен – лиз – про – гли.

Задание 2 : участок ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

ТГТ-АЦА-ТТА-ААА-ЦЦТ. Определить последовательность нуклеотидов и-РНК и последовательность аминокислот в белке, который синтезируется под контролем этого гена.

Ответ: ДНК: АГГ-ЦЦТ-ТАТ-ГГГ-ЦГА

иРНК: УЦЦ-ГГА-АУА-ЦЦЦ-ГЦУ

Белок: сер---гли---изо---про---ала

А теперь прослушаем интересные сообщения, которые Вы подготовили.

«Интересные факты о гене»

«Генетический код»

«Транскрипция и трансляция»

VI .Подведение итогов урока.

1)Вывод по уроку: Одним из важнейших процессов, протекающих в клетке, является синтез белков. Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих мембран, органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки изготовляют белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно. Синтез белка требует больших затрат энергии. Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является АТФ.

2)Оценить самостоятельную работу учащихся и их работу у доски. Так же оценить активность участников беседы и докладчиков.

V II . Домашнее задание:

Повторить § 2.13.

Разгадайте кроссворд:

1. Специфическая последовательность нуклеотидов, находящихся в начале каждого гена.

2. Переход последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность АК молекулы белка.

3. Знак начала трансляции.

4. Носитель генетической информации, расположенный в клеточном ядре.

5. Свойство генетического кода, повышающее надёжность хранения и передачи генетической информации при делении клеток.

6. Участок ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного белка.

7. Последовательность из трёх расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК.

8. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК.

9. Процесс перевода информации, о последовательности АК в белке с «языка ДНК» на «язык РНК».

10. Кодон, не кодирующий АК, а только показывает, что синтез белка должен быть завершён.

11. Структура, где определяется последовательность АК в молекуле белка.

12. Важное свойство генетического кода, заключающееся в том что, один триплет всегда кодирует только одну АК.

13. «Знак препинания» в молекуле ДНК, указывающий на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

14. Генетический код... для всех живых организмов от бактерий до человека.

- до 2 минут

-вступительное слово учителя

-35 минут

-10 минут

-учитель

-у доски 1 ученик

-ученики, записывают в тетради

-учитель

- с места

-слайд 1 и 2

-слайд 3

-слайд 4

-слайд 5

-слайд 6

-слайд 7 и 8

-слайд 9 и 10

-слайд 11 и 12

-слайд 13

-слайд 14

-слайд 15 и16

-слайд 17 и 18

-слайд 19 и 20

-логический переход

-слайд 21

-учитель

-25 минут

-учитель

-учитель

-слайд 22

-учитель

-слайд 23

-слайд 24

-слайд 25

-15 минут

слайд 27

-группа №1

-индивидуально на карточках

-группа № 2

-индивидуально на карточках

-30 минут

-заранее подготовленные

-слайд 29

-10 минут (1 уч.)

-10 минут (2 уч.)

-10 минут (3 уч.)

-5 минут

-учитель

-3минуты

-слайд 30

-на карточках

Процесс белкового биосинтеза чрезвычайно важен для клетки. Поскольку белки являются сложными веществами, которые играют основную роль в тканях, они незаменимы. По этой причине в клетке реализована целая цепь процессов белкового биосинтеза, которая протекает в нескольких органеллах. Это гарантирует клетке воспроизведение и возможность существования.

Сущность процесса биосинтеза белка

Единственное место синтеза белков - это шероховатая Здесь располагается основная масса рибосом, которые ответственны за образование полипептидной цепочки. Однако до того как начнется этап трансляции (процесс синтеза белка), требуется активация гена, в котором хранится информация о белковой структуре. После этого требуется копирование данного участка ДНК (или РНК, если рассматривается бактериальный биосинтез).

После копирования ДНК требуется процесс создания информационной РНК. На ее основании будет выполняться синтез белковой цепочки. Причем все этапы, которые протекают с вовлечением нуклеиновых кислот, должны происходить в Однако это не место, где происходит синтез белка. где осуществляется подготовка к биосинтезу.

Рибосомальный биосинтез белка

Основное место, где происходит синтез белка, - клеточная органелла, состоящая из двух субъединиц. Таких структур в клетке огромное количество, и они в основном расположены на мембранах шероховатой эндоплазматической сети. Сам биосинтез происходит так: образованная в ядре клетки информационная РНК выходит сквозь нуклеарные поры в цитоплазму и встречается с рибосомой. Затем иРНК проталкивается в промежуток между субъединицами рибосомы, после чего происходит фиксация первой аминокислоты.

К месту, где происходит синтез белка, аминокислоты подаются при помощи Одна такая молекула может однократно приносить по одной аминокислоте. Они присоединяются по очереди в зависимости от последовательности кодонов информационной РНК. Также синтез может прекращаться на некоторое время.

При продвижении по иРНК рибосома может попадать на участки (интроны), которые не кодируют аминокислоты. В этих местах рибосома просто продвигается по иРНК, но присоединения аминокислот к цепочке не происходит. Как только рибосома достигает экзона, то есть участка, который кодирует кислоту, тогда она снова присоединяется к полипептиду.

Постсинтетическая модификация белков

После достижения рибосомой стоп-кодона информационной РНК процесс непосредственного синтеза завершается. Однако полученная молекула имеет первичную структуру и пока не может выполнять зарезервированных для нее функций. Для того чтобы полноценно функционировать, молекула должна организоваться в определенную структуру: вторичную, третичную или еще более сложную - четвертичную.

Структурная организация белка

Вторичная структура - первая стадия структурной организации. Для ее достижения первичная полипептидная цепочка должна спирализоваться (образовать альфа-спирали) или загибаться (создать бета-слои). Затем, для того чтобы занимать еще меньше места по длине, молекула еще больше стягивается и сматывается в клубок за счет водородных, ковалентных и ионных связей, а также межатомных взаимодействий. Таким образом, получается глобулярная

Четвертичная белковая структура

Четвертичная структура самая сложная из всех. Она состоит из нескольких участков с глобулярным строением, соединенных фибриллярными нитями полипептида. Вдобавок третичная и четвертичная структура могут содержать углеводный или липидный остаток, что расширяет спектр функций белка. В частности, гликопротеиды, белка и углевода, являются иммуноглобулинами и выполняют защитную функцию. Также гликопротеиды располагаются на мембранах клеток и работают рецепторами. Однако модифицируется молекула не там, где происходит синтез белка, а в гладкой эндоплазматической сети. Здесь существует возможность присоединения липидов, металлов и углеводов к доменам белков.

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

1.Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).

2.На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

3.Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

4.На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Хромосомы (от греч. «хрома» - цвет, «сома» - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.

В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.

Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.

Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.

Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.

У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами - большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин - 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.

В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.

Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами - синтезом макромолекул: ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена - достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под генетическим контролем. Действие гена обеспечивает транскрипцию , или синтез РНК, и трансляцию , или синтез белка (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема процесса транскрипции ДНК РНК-полимеразой и трансляции: а - общая схема транскрипции. Стрелка показывает направление, в котором ДНК-матрица движется через молекулу РНК-полимеразы; б - два этапа: транскрипция и трансляция

Процесс синтеза белка начинается с транскрипции ДНК (как рассматривалось выше). Следующий процесс - трансляция мРНК.

Трансляция мРНК - это синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.

В этом процессе различают три стадии:

• 1. Активация свободных аминокислот - образование аминоациладе- нилатов в результате взаимодействия аминокислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каждой аминокислоты. Эти ферменты - ами- ноацил-тРНК-синтетазы - участвуют и в следующей стадии.
• 2. Аминоацилирование тРНК - присоединение аминокислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комплекса аминоацил-тРНК- синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.
• 3. Собственно трансляция, или полимеризация аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.

Таким образом, при трансляции последовательность расположения нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.

Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУГ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бактерий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый (см. табл. 5.4.). Сигналом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (^-центре), располагающемся преимущественно на малой субъединице рибосомы.

Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует комплекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодоном УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая переносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состоящему из малой субъединицы рибосомы (305), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (505). В результате образуется полностью собранная рибосома, включающая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с аминокислотой. В рибосоме имеются аминоацильный и пептидиль- ный центры.

Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъединицы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, который может соединиться с антикодоном следующей ами- ноацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансляции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептидной цепи. Так, в аминоациль- ный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). При этом выделяется молекула воды:

В результате тРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элонгации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.

В результате процесса трансляции комплекс дипсптндил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставляет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр нс поступит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или УГА.

После поступления в аминоацильный центр рибосомы терминирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что приводит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептидной цепи и субъединиц рибосомы, которые затем диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.

Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонгации) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являются интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс трансляции одинаков у всех организмов.

Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претерпевают постгрансляционные преобразования и в дальнейшем выполняют свои специфические функции. Первичная структура полипептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется природой боковых групп аминокислотных остатков (а-спираль, складчатый P-слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространственной) структурой полипептида , отражающей способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.

Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина включает в себя две a-цепи и две P-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.

Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон-антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной роли рибосом в контроле комплементар- ности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции.