Процесс синтеза белка в клетке называется. Синтез белка в клетках мышц

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.

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 синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он состоит из двух основных этапов - транскрипции и трансляции (рис. 4.5). Первый этап - транскрипция генетической информации - процесс синтеза однонитевой мРН К комплементарно одной смысловой цепи ДНК, то есть перенос генетической информации о нуклеотидном строении ДНК на мРНК. Через норы ядерной мембраны мРНК поступает в каналы эндоплазматической сети и здесь соединяется с рибосомами. Синтез белка происходит на молекуле мРНК, причем рибосомы продвигаются вдоль нее и к концу синтеза полипептидной цепи сходят с нее (рис. 4.6).

На рисунке 4.6 показаны только два триплета: антикодон комплементарный, соответствующий колону мРНК, и триплет ЦЦА, к которому присоединяется аминокислот (ЛК).
Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, активируются ферментами, после чего связываются с другим видом РНК - транспортной. Она перекосит аминокислоты к рибосомам. Различные тРНК доставляют к: рибосоме аминокислоты и располагают их соответственно последовательности триплетов мРНК. Три последовательных нуклеотида, кодирующие определенную аминокислоту, были названы кодоном (мРНК), а неразрывный триплет - антикодоном (тРНК). Кодоны ничем не отделены друг от друга. Доставляя определенную аминокислоту, тРНК взаимодействует с мРНК (кодон-антикодон). и аминокислота присоединяется к растущей пол и пептидной цепи. Совершенно очевидно, что синтез полипептида, то есть расположения в нем аминокислот, определяется последовательностью нуклеотидов мРНК.

Второй этап биосинтеза - трансляция - перевод генетической информации с мРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи.
В последовательности расположения нуклеотидов в триплете закодирована определенная аминокислота. Установлено, что генетический код является триплетным, то есть каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов. Если код триплетом, то из четырех азотистых оснований можно составить 64 кодона (4в3); этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот. Выявлено новое свойство генетического кода - его избыточность, то есть некоторые аминокислоты кодируют не один, а большее число триплетов. Из 64 кодонов три признаны стопкодонами, они обусловливают прекращение (терминацию) или перерыв генетической трансляции (табл. 4.2).

Генетический код неперекрывающийся. Если бы кодоны перекрывались, то замена одной пары оснований должна была привести к замене двух аминокислот в полипептидной цепи, а этого не происходит. Кроме этого, он универсален - одинаков для биосинтеза белков живых существ. Универсальность кода свидетельствует о единстве жизни на Земле. Таким образом, генетический код - это система записи наследственной информации в нуклеиновых кислотах в виде последовательности нуклеотидов.
Впоследствии путь реализации генетической информации в клетке был дополнен обратной транскрипцией (синтез ДНК на матрице РНК) - репликацией ДНК и РНК (рис. 4.7).

Ген - участок ДНК. кодирующий первичную структуру полипептида или нуклеиновую кислоту. В контроле синтеза полинептидной цепи принимают участие несколько разных генов: структурные гены, ген-peгулятор, ген-оператор. Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на бактериях E. coli и получил название механизма индукции-репрессии. Структурные гены кодируют последовательность аминокислот в полипептидах. Обычно для структурных генов существует общая система регуляции, состоящая из гена-регулятора и гена-оператора. Ген-регулятор обусловливает синтез белка-репрессора, который, соединяясь с оператором, «разрешает» или «запрещает» считывание информации соответствующих структурных генов. Ген-оператор и следующие за мим структурные гены были названы опероном - единицей считывания генетической информации, единицей транскрипции (рис. 4.8).

Например, для нормальной жизнедеятельности E. coli необходим молочный сахар - лактоза. У нее имеется лактозный участок (lас-оперон), на котором расположены три структурных гена для расщепления лактозы. Если лактоза не поступает в клетку, то белок-репрессор, вырабатываемый геном-регулятором, связывается с оператором и тем самым «запрещает» транскрипцию (синтез мРНК) со всего оперона. Если же лактоза поступает в клетку, то функция белка-репрессора блокируется, начинаются транскрипция, трансляция, синтез белков-ферментов и растепление лактозы. После расщепления всей лактозы восстанавливается активность белка-репрессора и транскрипция подавляется.
Таким образом, гены могут находиться во включенном и отключенном состоянии. На их регуляцию влияют продукты метаболизма, гормоны. Ген функционирует в системе ДНК-РНК-белок, на которую влияет взаимодействие генов и факторы внешней среды.

1. Какие функции выполняют в клетке белки?

Ответ. Белки играют исключительно большую роль в процессах жизнедеятельности клетки и организма, им свойственны следующие функции.

1. Структурная. Входят в состав внутриклеточных структур‚ тканей и органов. Например, коллаген и эластин служат компонентами соединительной ткани: костей‚ сухожилий‚ хрящей; фиброин входит в состав шелка‚ паутины; кератин входит в состав эпидермиса и его производных (волосы‚ рога‚ перья). Образуют оболочки (капсиды) вирусов.

2. Ферментативная. Все химические реакции в клетке протекают при участии биологических катализаторов - ферментов (оксидоредуктазы, гидролазы, лигазы, трансферазы, изомеразы, и лиазы).

3. Регуляторная. Например, гормоны инсулин и глюкагон регулируют обмен глюкозы. Белки–гистоны участвуют в пространственной организации хроматина, и тем самым влияют на экспрессию генов.

4. Транспортная. Гемоглобин переносит кислород в крови позвоночных, гемоцианин в гемолимфе некоторых беспозвоночных, миоглобин - в мышцах. Сывороточный альбумин служит для транспорта жирных кислот‚ липидов и т. п. Мембранные транспортные белки обеспечивают активный транспорт веществ через клеточные мембраны. Цитохромы осуществляют перенос электронов по электронтранспортным цепям митохондрий и хлоропластов.

5. Защитная. Например, антитела (иммуноглобулины) образуют комплексы с антигенами бактерий и с инородными белками. Интерфероны блокируют синтез вирусного белка в инфицированной клетке. Фибриноген и тромбин участвуют в процессах свертывания крови.

6. Сократительная (двигательная). Белки актин и миозин обеспечивают процессы мышечного сокращения и сокращения элементов цитоскелета.

7. Сигнальная (рецепторная). Белки клеточных мембран входят в состав рецепторов и поверхностных антигенов.

Запасающие белки. Казеин молока, альбумин куриного яйца, ферритин (запасает железо в селезенке).

8. Белки-токсины. Дифтерийный токсин.

9. Энергетическая функция. При распаде 1 г белка до конечных продуктов обмена (СО2, Н2О, NH3, Н2S, SО2) выделяется 17‚6 кДж или 4‚2 ккал энергии.

2. Из чего состоят белки?

Ответ. Белки́ - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств.

Вопросы после §26

1. Что такое ген?

Ответ. Ген - материальный носитель наследственной информации, совокупность которых родители передают потомкам во время размножения. В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены - это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию - о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют рост и функционирование организма.

2. Какой процесс называется транскрипцией?

Ответ. Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двуцепочечной ДНК раскручивается, а затем на одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности синтезируется молекула иРНК. Это происходит следующим образом: против, например, Г молекулы ДНК становится Ц молекулы РНК, против А молекулы ДНК – У молекулы РНК (вспомните, что вместо тимина РНК несет урацил, или У), против Т молекулы ДНК – А молекулы РНК и против Ц молекулы ДНК – Г молекулы РНК. Таким образом, формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции.

3. Где и как происходит биосинтез белка?

Ответ. В цитоплазме происходит процесс синтеза белка, который по-другому называют трансляцией. Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. С тем концом иРНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. При этом начало будущего белка обозначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением специальных случаев) начинаются с метионина. После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т. е. 3 + 3 = 6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку. После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала.

4. Что такое стоп-кодон?

Ответ. Стоп-кодоны (УАА, УАГ или УГА) не кодируют аминокислот, они только лишь показывают, что синтез белка должен быть завершен. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры

5. Сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке?

Ответ. Не менее 20 (количество аминокислот) , не более 61 (количество смысловых кодонов). Обычно около 43 тРНК у прокариот. У человека около 50 различных тРНК обеспечивают включение аминокислот в белок.

6. Из чего состоит полисома?

Ответ. Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок. На ту же иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой.

7. Требуют ли процессы синтеза белка затрат энергии? Или, наоборот, в процессах синтеза белка происходит выделение энергии?

Ответ. Как любой синтетический процесс, синтез белка - это эндотермическая реакция и, значит, требует энергозатрат. Биосинтез белка представляет цепь синтетических реакций: 1) синтез и-РНК; 2) соединение аминокислот с т-РНК; 3) "сборку белка". Все эти реакции требуют больших энергетических затрат - до 24,2 ккал/моль. Энергия для синтеза белка обнеспечивается реакцией расщепления АТФ.

Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:

1. Транскрипция.

2. Трансляция.

Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.

Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.

Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.

Транскрипция

Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.

Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).

Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.

В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.

По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.

Трансляция

Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.

В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация.

На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.

Элонгация

— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.

Терминация

– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.

Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.

Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.

Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.

Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.

Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.

В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.