Конспект урока по биологии на тему "Анаболизм: биосинтез белка"

                                                                                                                                                                                                                        

Репликация – удвоение ДНК

Транскрипция – создание РНК

Трансляция – образование белка

Способ воспроизводства молекул ДНК и синтеза молекул РНК, при котором одна нить ДНК служит

матрицей (образцом) для построения дочерней молекулы (бесконечное количество раз).

Матричный принцип основан на принципе комплементарности

Принцип комплементарности основан на способности азотистых оснований образовывать друг с другом водородные связи

 

Принципы репликации:

•          Комплементарность (А-Т, Г-Ц)

•          Антипараллельность (противоположная ориентация - 5’-3’/ 3’-5’)

•          Униполярность (однонаправленность от 5’ к 3’)

•          Прерывистость (челночный синтез – фрагменты Оказаки)

•          Потребность в затравке (РНК-праймер)

 

•          Полуконсервативность (одна из цепей

материнская, вторая – дочерняя)

•          Комплементарность

•          Антипараллельность

•          Униполярность

•          Потребность в затравке

•          Прерывистость («челночный синтез»)

•          Полуконсервативность

Принципы транскрипции:

•             Комплементарность

•             Антипараллельность

•             Униполярность (синтез с 5’-конца)

•             Матрица – транскрибируемая цепь ДНК

                                                                                                                               

 

Принципы трансляции:

•             Комплементарность

•             Униполярность (направление чтения

с 5’-конца)

•             Антипараллельность

•             Матрица – мРНК

         

•              Код триплетен (три нуклеотида

кодируют одну аминокислоту)

•              Код однозначен (триплет кодирует одну определенную аминокислоту)

•              Код вырожден (избыточен) (одну аминокислоту кодирует более чем один триплет)

•              Код непрерывен (между кодонами нет промежутков, стоп-кодоны в конце гена)

•              Код универсален (одинаков у всех организмов на Земле)

1.     Инициация – начало реакции (присоединение РНК-полимеразы)

2.     Элонгация – основная часть

реакции.

РНК: 5‘-АУГУААЦГУААЦЦЦУ-3'

3.     Терминация – окончание синтеза РНК.

•         Синтез с матричной (транскрибируемой) цепью ДНК

•         По принципу комплементарности

•         Синтез идет по направлению от 5‘ к 3‘ концу

Особенности строения тРНК и рибосом

тРНК                                                           Рибосома

2. Трансляция

1.     Инициация – присоединение субъединиц рибосомы и инициаторной т-РНК

2.     Элонгация – процесс роста полипептидной цепи

5' Т А У Г А Ц Ц А У У У Г Г Г Ц А Ц А А У А А У 3'

иРНК

•           Присоединяется следующая т-РНК

У А Ц

МЕТ

У Г Г

ТРЕ

У А А

ИЛЕ

•            Образуется пептидная связь

•            Первая т-РНК покидает рибосому

•            Рибосома сдвигается на один триплет

•            Присоединяется следующая т-РНК

•            Образуется пептидная связь и т.д.

3.     Терминация – узнавание стоп- кодона, окончание биосинтеза белка (разделение субъединиц рибосомы)

Инициация.

1.    Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением тРНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц.

Элонгация.

2.             Узнавание   текущего    кодона        соответствующей           ему          аминоацил-тРНК                     (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено).

3.    Присоединение аминокислоты, принесенной тРНК, к концу растущей полипептидной цепи.

4.    Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК.

5.       Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей аминоацил-тРНК-

синтетазой.

6.                   Присоединение      следующей      молекулы аминоацил-тРНК,  аналогично      стадии           (2).

7.    Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона.

Терминация.

Узнавание рибосомой стоп-кодона сопровождается (8) отсоединением новосинтезированного белка и

в некоторых случаях (9) диссоциацией рибосомы.

«Матричный синтез как пример пластического обмена».

Суть пластического обмена – это создание органического вещества с затратой энергии.

Матричный синтез является одним из примеров пластического обмена. С помощью матричного синтеза проходят три процесса – репликация, транскрипция и трансляция. В результате образуются новые молекулы ДНК, молекулы РНК (все виды РНК синтезируются на ДНК) и белок.

Что же такое матричный синтез?

Это способ воспроизводства молекул ДНК и синтеза молекул РНК, при котором одна нить ДНК служит матрицей (образцом) для построения дочерней молекулы (бесконечное количество раз).

Матричный синтез основан на принципе комплементарности – способности азотистых оснований нуклеотидов образовывать водородные связи.

Рассмотрим сначала основные принципы репликации.

У большинства организмов молекула ДНК – двуцепочечная. Соединяются эти цепи по принципу комплементарности (А-Т, Г-Ц). Второй принцип – антипараллельность. Обратите внимание на номер углерода дезоксирибозы каждой цепи. 5-концу с фосфатной группой соответствует 3-конец с гидроксильной группой.

В связи с тем, что ДНК-полимераза присоединяет новые остатки нуклеотидов только к 3-гидроксильной группе, синтез новой цепи возможен только в направлении от 5 к 3 концу. Этот принцип называется однонаправленность или униполярность.

В связи с однонаправленностью синтеза новых цепей скорость будет разная.

В лидирующей цепи молекулы ДНК (она показана сверху) сшивка нуклеотидов происходит непрерывно в прямом направлении: от 5ʹ конца нуклеотида к 3ʹ концу нуклеотида

В отстающей цепи молекулы ДНК сшивка нуклеотидов происходит сначала фрагментами (они называются фрагменты Оказаки) в направлении 5ʹ конца нуклеотида к 3ʹ концу следующего нуклеотида, а затем между этими фрагментами нуклеотидов.

То есть она отстающая, так как синтез на ней идет фрагментарно в обратном направлении, на сшивку фрагментов нуклеотидов нужно время.Это объяснение так называемому челночному синтезу – прерывистости репликации.

Для синтеза ДНК необходима РНК-затравка, которую называют праймером. Обычно затравка содержит от 10 до 60 нуклеотидов и синтезируется РНК- полимеразой на родительской ДНК, используя ее как матрицу.

На анимации репликации показана прерывистость синтеза. Видно, что одна цепь (в данном случае – верхняя) лидирующая и синтезируется непрерывно, тогда как отстающая растет фрагментами.

Каждая цепь молекулы ДНК служит матрицей для репликации комплементарных дочерних цепей – в этом суть полуконсервативного способа репликации.

Еще один процесс, который идет по матричному принципу – транскрипция. Все виды РНК синтезируются на ДНК матрице.

Происходит это по принципу комплементарности, антипараллельности и однонаправленности. Рост новой цепи идет в направлении от 5-конца. Значит, матричная цепь ДНК должна начинаться с 3-конца.

На разных участках ДНК синтезируются разные молекулы РНК: иРНК (мРНК), тРНК, рРНК.

И еще один пример матричного принципа – биосинтез белка или трансляция.

Идет этот процесс на рибосомах. Матрицей является иРНК. Трансляция идет по принципу комплементарности, однонаправленно (то есть чтение иРНК с 5-конца) и антипараллельно. Обратите внимание, что левый край тРНК (там, где акцепторный стебелек) начинается с 3-конца, что антипараллельно 5 на иРНК.

Следует еще помнить, что существуют РНК-содержащие вирусы, которые с помощью специального фермента (обратная транскриптаза), который таскают с собой, способны переносить информацию со своей вирусной РНК на ДНК хозяина. Итак, мы вспомнили основные процессы матричного синтеза – репликация,

транскрипция и трансляция.

Наиболее часто в КИМах ЕГЭ попадаются задания на биосинтез белка.

Об основных этапах этого процесса

Во-первых, существует одна проблема – информация о последовательности аминокислот в белке находится на ДНК (в ядре). А сборка аминокислот происходит за пределами ядра – на рибосомах. Как же эта проблема решается?

Существует    система    перевода    последовательности    нуклеотидов    в аминокислотную последовательность – генетический код.

Первый этап биосинтеза – транскрипция. На первом этапе синтезируется молекула иРНК, начиная с 5-конца. То есть матричная цепь начинается с 3-конца.

В эукариотических клетках ген несет кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) части. Поэтому после транскрипции начинается сплайсинг – удаление из молекулы РНК интронов.

Существует вариант сплайсинга матричных РНК (мРНК), при котором в ходе экспрессии гена на основе одного и того же первичного транскрипта (пре-мРНК) происходит образование нескольких зрелых мРНК. Такой сплайсинг называется альтернативным.

Чтобы понять дальнейшие процессы, необходимо подробнее остановиться на структуре тРНК и строении рибосомы. В структуре транспортной РНК имеются 3 петли и стебелек. В антикодоновой петле (на рисунке розовым цветом) расположены три нуклеотида, которые называются антикодоном.

Антикодон отвечает за правильную установку аминокислоты в полипептидной цепочке. Именно тРНК играет роль адаптора между нуклеотидной последовательностью мРНК и последовательностью аминокислот в белке. Для этого тРНК комплементарно присоединяется к кодону мРНК своим антикодоном в ходе трансляции.

Субъединицы рибосомы способны разделяться и объединяться. В цитоплазме они присутствуют как отдельно, так и вместе. Для начала синтеза белка субъединицы должны быть разъединены. Отдельная малая субъединица связывает мРНК в начале трансляции и находит стартовый кодон. Затем присоединяется большая субъединица, и уже полная рибосома осуществляет биосинтез белка. Участок, ответственный за образование пептидной связи, расположен в большой субъединице.

Процесс  синтеза   полипептида  на   рибосоме  состоит   из   трех   стадий:

инициации, элонгации и терминации.

Основными задачами инициации являются:

1)  Связывание малой субъединицы рибосомы с мРНК.

2)  Нахождение инициаторного, или стартового, кодона АУГ, как правило, это первый АУГ с 5'-конца мРНК.

3)       Установка метионил-тРНК и присоединение большой субъединицы рибосомы.

Элонгация трансляции представляет собой цикл из 3 повторяющихся событий:

1)     Присоединение новой тРНК в соответствии с кодоном, который там оказался. При этом происходит комплементарное взаимодействие антикодона тРНК с кодоном в мРНК.

2)  Образование пептидной связи. Главную роль здесь играет рРНК.

3)  Транслокация — шаг рибосомы на один триплет в сторону 3'-конца мРНК.

Процесс элонгации продолжается до тех пор, пока не попадет стоп-кодон, для которого в клетке нет тРНК с комплементарным антикодоном.

Напомним, что стоп-кодонами являются три кодона: UAA, UAG, UGA. На этих кодонах процесс элонгации останавливается, и начинается завершающий этап биосинтеза белка, называемый терминацией.

Освободившаяся тРНК покидает рибосому, а образовавшийся пептид освобождается и начинает самостоятельное существование. Рибосома диссоциирует на субъединицы и освобождает мРНК.

Часто на одной мРНК последовательно друг за другом синтезируют белок несколько рибосом. Это позволяет более эффективно использовать мРНК и синтезировать в единицу времени больше белковых молекул. Такие структуры, состоящие из одной мРНК и нескольких работающих на ней рибосом, называются    полисомами.

После трансляции начинается химическая модификация белка.

Это одна из последних стадий процесса биосинтеза белка для многих белков.

Процесс происходит в аппарате Гольджи.

Посттрансляционная модификация расширяет функциональный состав белка посредством дополнительного присоединения таких групп, как ацетатная (ацетилирование) или фосфатная (фосфорилирование) группы, а также липидов и сахаров (гликозилирование).

Краткое описание документа:

Приведенный материал посвящен пластическому обмену - биосинтезу белка. Подробно и наглядным образом освещены процессы транскрипции и трансляции.Материал будет полезен при изучении курса общей биологии, а также для абитуриентов, сдающих ГИА по биологиии.