Одним из центральных процессов метаболизма клетки, связанных с потоком вещества, энергии и информации, является биосинтез белка-формирование сложной молекулы белка-полимера из мономеров аминокислот.
Елисеева Г.Н. учитель биологии МБОУ СШ 9
ГО Красноуфимск
- Углубить, обобщить и расширить знания
о биосинтезе белка.
- Осознать значение биосинтеза белка
для жизнедеятельности клетки, организма,
зарождения и развития жизни на земле.
С механизмом биосинтеза белка мы уже знакомились в 9 классе. Но знакомство это было поверхностное. А передача информации по схеме ДНК-РНК-белок, которая происходит при синтезе белка в клетке, является центральной догмой биологии. И мы, как уважающие себя люди 21 века, должны знать поподробнее, как же происходит этот процесс. Кроме того, белки основа жизни, ещё Энгельс сказал, что «жизнь- это форма существования белковых тел…» и в условиях роста численности населения, и сокращения пищевых ресурсов очень важно познать этот процесс и научиться синтезировать качественные белки. Нарушения при биосинтезе приводят к наследственным заболеваниям и чтобы найти пути лечения данных болезней также необходимо знать процесс. Возможно знания о биосинтезе белка помогут человечеству ответить на вопрос, который постоянно возникает перед людьми с момента развития интеллекта, «как возникла жизнь и в результате чего она развивалась?» Исходя из всего выше сказанного, я предлагаю следующие цели урока. Но вы, каждый для себя должны поставить ещё и свои цели, в зависимости от того на каком уровне находятся ваши знания о биосинтезе белка. Для того чтобы выяснить уровень ваших знаний, я вам предлагаю выполнить тест, ознакомиться с планом лекции и решить для себя, что вы уже знаете хорошо, а на что вам надо обратить особое внимание. Вопросы, требующие расширение ваших знаний отметьте восклицательным знаком, если у вас появились дополнительные вопросы запишите их. На выполнение данной работы 10 минут.
- Полимеры. Мономерами являются- аминокислоты.
- Элементарный состав – C , H , O , N , S .
- Белки отличаются друг от друга количеством и составом аминокислот, их взаимным расположением и повторяемостью в молекуле.
- 20 аминокислот могут образовать 2432902008176640000 разных белков. Этого количества хватило бы, чтобы создать всех людей, живших и живущих на Земле, начиная с неандертальцев.
- Есть два типа белков: фибрилярные- у них длинные и тонкие нити ( ИЗ НИХ «СДЕЛАНЫ» ШЕРСТЬ, КОЖА, ХРЯЩИ, КОСТИ, МЫШЦЫ ), И ГЛОБУЛЯРНЫЕ- У НИХ НИТИ СЛОЖЕНЫ В ПУЧКИ ИЛИ КЛУБКИ- ГЛОБЫ ( БЕЛКИ КРОВИ, ФЕРМЕНТЫ )
- ЧЕЛОВЕК ПОСТРОЕН ИЗ 100000 РАЗНЫХ БЕЛКОВ
- В НАШИХ МЫШЦАХ- 80% БЕЛКОВ, В КОЖЕ- 63%, В СЕРДЦЕ 60% И ДАЖЕ В ЗУБАХ- 28%
.
Гормоны
(инсулин,
адренолин)
Ферменты
(рибонуклеза,
трипсин)
Защитные
белки
(иммуноглобулины, интерферон)
Рецепторные
белки(родопсин,
холинорецептор)
Двигательные белки
(актин,миозин)
Регуляторные белки(гистоны,репрессоры)
Структурные белки
(кератин, коллаген)
Прежде чем перейти к теме «Биосинтез белка» ещё раз хочу обратить ваше внимание на огромное разнообразие белков и их значение.
Запасные белки
(казеин, яичный альбумин)
Транспортные белки
(гемоглобин, мембранная АТФаза
Токсины
(ботулинический,дифтерийный)
Антибиотики
(актиноксантин)
Благодаря своему разнообразию и функциональной активности белки являются основой видовой и индивидуальной специфичности.
Совокупность
реакций
биосинтеза,
идущих с
поглащением
энергии
совокупность
реакций
расщепления,
идущих с
выделением
энергии
аминокислоты
энергия
информация
Химическое «сырьё»
Биосинтез
белка
АТФ
Рибосомы
(место синтеза)
Информация о последователь-ности расположения аминокислот
Ферменты
(РНК-полимераза, белок-синтетаза)
Перевод наследственной информации из последовательности
кодонов ДНК в последовательность кодонов и-РНК .
Осуществляется путём матричного синтеза и-РНК на одной
из цепей ДНК.
Перевод информации из последовательности кодонов и-РНК
в последовательность аминокислот полдипептидной цепи
Промотор
РНК-
полимераза
Терминатор-последовательность нуклеотидов,
указывающая на окончание транскрипции
Промотор-последовательность нуклеотидов,
указывающая на начало транскрипции
Присоединение РНК-полимеразы к промотору в молекуле ДНК.
РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК.
Синтез и-РНК по принципу комплементарности, до встречи РНК-
полимеразы с терминатором.
терминатор
А-А-А--Т-Т-А--Ц-Г-Т--Ц-Ц-Т—Г-Ц-Ц—Т-А-Т—Т-Т-Т
У-У-У
А-А-У
Г-Ц-А
Г-Г-А
А-У-А
У-У-У
Ц-Г-Г
Процесс формирования
зрелых молекул РНК
Участок ДНК, транскрипция которого
осуществляется на одну молекулу и-РНК
под контролем одного специального
белка-регулятора
Экзон1
промотор
интрон1
оператор
экзон3
интрон2
экзон2
терминатор
Удаление последовательности
нуклеотидов РНК, соответствующих
интронам ДНК, и соединение
участков, соответствующих
экзонам.
Т р а н с к р и п ц и я
С п л а й с и н г
Центр узнавания аминокислоты
-Аминоацильный
участок
Центр присоединения аминокислоты
к пептидной цепочке
-Пептидильный
участок
Малая субъединица рибосомы
У-У-У—А-А-У—Г-Ц-А— А-У-Г —Ц-Г-Г—А-У-А—У-У-У
Над тем как устроена рибосома, бились десятки лабораторий в разных странах. А увидел это коллектив, которым руководил российский учёный Александр Спирин. Сначала методом центрифугирования рибосома была выделена из клетки и рассмотрена под электронным микроскопом. С помощью биохимических манипуляций рибосому развернули, получили ленту. К ленте стали добавлять различные химические вещества, так выяснили, что в её состав входит рибосомная РНК и белок, которые чередуются в шахматном порядке. Рибосома-это немембранный органоид клетки, который состоит из двух субъединиц: большой и малой. В функционирующей рибосоме имеется функциональный центр, который состоит из двух центров Аминоацильного и Пептидильного. Для начала синтеза полипептида малая субъединица рибосомы должна соединиться с т-РНК, антикодон которой позволяет малой субъединице присоединиться к старт-кодону А-У-Г и-РНК,посге чего происходит соединение большой и малой субчастиц и формируется функциональная рибосома. Первая т-РНК переносит аминокислоту метионин, которая оказывается в пептидильном участке рибосомы. Эта аминокислота будет присоединять к себе растущую цепь белка.
У-А-Ц
Большая субъединица рибосомы
Мет.
11
У-А-Ц
Г-Ц-Ц
А-Г-А
Ц-Ц-У
У-У-У—А-А-У—Г-Ц-А—А-У-Г—Ц-Г-Г--А-У-А—У-У-У
А-А-А-
Мет
.
Про
Паралелльно с фазой инициации в цитоплазме происходит активизация аминокислот. Она происходит с помощью специальных ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз в присутствии АТФ. Аминокислоты присоединяются к акцепторному концу т-РНК в соответствии с триплетом антикодона.
Ала.
Лиз
Арг.
11
А-Г-А
У-У-А
А-Г-А
А-Г-А
У-А-Ц
У-У-У—А-А-У—А-У-Г--Г-Ц-А—Ц-Г-Г--А-У-А—У-У-У
Мет
Далее начинается фаза элонгации во время которой происходит непосредственный синтез полипептида. Синтез полипептидной цепочки происходит в большой субчастице рибосомы. В аминоацильный центр рибосомы поступают т-РНК с аминокислотами и если антикодон т-РНК комплемементарен триплету и-РНК, то она временно присоединяется к нему. Вновь поступившая аминокислота( в данном случае лейцин) оказывается рядом с аминокислотой метионин и между карбоксильной группой метионина и аминогруппой лейцина образуется пептидная связь, результатом чего является образование дипептида.
Арг.
Лей
Арг.
Арг.
11
А-А-Ц
У-У-А
Г-У-А
А-А-А
У-А-Ц
У-А-А—Ц-А-У—У-У-Г--А-А-У—А-У-Г--Г-Ц-А—Ц-Г-Г—А-Ц-У
----
Таким образом в стадии элонгации происходит последовательное наращивание полипептидной цепи по одной аминокислоте в соответствии с порядком кодонов в молекуле и-РНК.
Мет-
11
А-А-Ц
У-У-А
Г-У-А
А-А-А
У-А-Ц
У-У-У—Ц-А-У—У-У-Г--А-А-У—А-У-Г--Г-Ц-А—Ц-Г-Г—А-Ц-У
----
Мет-
R
R
H
H
Т-РНК, которая принесла аминокислоту метионин покидает рибосому, а т-РНК с аминокислотой лейцин перемещается в пептидильный центр, рибосома передвигается относительно и-РНК, и в рибосому поступает новая т-РНК со своей аминокислотой и в случае её комплементарности триплету в аминоацильном центре между этой аминокислотой и лейцином вновь образуется пептидная связь, а пептид увеличится ещё на одну аминокислоту. Дальнейшее удлинение пептидной цепочки происходит путём повторения предыдущих действий.
H
N
С
N
С
C
H
C
H
O
O
11
А-А-Ц
У-У-А
Г-У-А
А-А-А
У-А-Ц
У-А-А—Ц-А-У—У-У-Г--А-А-У—А-У-Г--Г-Ц-А—Ц-Г-Г—А-Ц-У
----
Удлинение полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока на пути рибосом не окажется один из терминирующих(бессмысленных) триплетов и-РНК(УАА, УАГ, УГА). Этим триплетам не соответствует ни одна аминокислота. В области этих триплетов под действием ферментов происходит гидролитическое расщепление связи между пептидом и последней т-РНК. В результате освобождается готовый белок.
У-А-Г
У-Г-А
11
Для увеличения
производства белков
по и-РНК часто одно-
временно проходит
по несколько рибосом.
Такую структуру,
объединённую
одной молекулой
и-РНК, называют
полисомой.
На каждой рибосоме
в этом конвейере
синтезируются
одинаковые белки.
- Процесс биосинтеза на всех этапах идёт с участием многих ферментов и с поглащением большого количества энергии.
- Чёткая последовательность происходящих процессов, их организованность и распределение функций между всеми задействованными компонентами приводят к выводу, что биосинтез белка – это целостная система выполнения сложных реакций, обеспечивающая создание веществ, необходимых для жизни.
- Эти процессы происходят на внутриклеточных структурах, которые взаимодействуют между собой в строгом, функционально-упорядоченном виде.
Самовоспроизведение и самореализация – это следствие взаимодействия нуклеиновых кислот и белков.
Генетическая информация записанная в ДНК, структурно имеет линейный характер; она преобразуется в трёхмерную информацию при синтезе белков.
Трёхмерная структура самой клетки, её компонентов и процессов есть результат влияния трёхмерной информации белков.
Схема передачи наследственной информации в эукариотической клетке
ДНК
И-РНК
транскрипция
ядро
Пре-РНК
процессинг
И-РНК
цитоплазма
И-РНК
трансляция
Белок
Белок
трансляция
ДНК
репликация
РНК
транскрипция
Химические реакции,
формирующие признаки
организма
фермент
ген
белок
-На генном уровне организации наследственного
материала обеспечивается индивидуальное
наследование и индивидуальное изменение
отдельных признаков, свойств клетки и
организма.
- Биосинтез белка- это процесс реализации
наследственной информации в ходе онтогенеза.
Любые нарушения, под воздействием внешних и
внутренних факторов, во время транскрипции и
трансляции могут привести к изменению признаков
и свойств организма, и к возникновению различных
заболеваний.
-На генном уровне организации наследственного
материала обеспечивается индивидуальное
наследование и индивидуальное изменение
отдельных признаков, свойств клетки и
организма.
- Биосинтез белка- это процесс реализации
наследственной информации в ходе онтогенеза.
Любые нарушения, под воздействием внешних и
внутренних факторов, во время транскрипции и
трансляции могут привести к изменению признаков
и свойств организма, и к возникновению различных
заболеваний.
При повышении содержания ионов магния, в рибосоме
нарушается нормальное считывание генетического
кода.
Антибиотик « тетрациклин» связывает магний,
в результате, малая и большая субъединицы не могут
соединиться в единую рибосому.
Антибиотик «стрептомицин» вызывает ошибки
в считывании генетического кода.
Бактериальные токсины и голодание способствуют
диссоциации полисом на рибосомы, а затем последних
на субъединицы
2
2
При изучении белковых продуктов мутантных
генов выделяют две группы мутаций.
Первая группа связана с качественными
изменениями белковых молекул т.е. наличием
у больных аномальных белков, что обусловлено
мутацией структурных генов.
Вторая группа заболеваний характеризуются
количественными изменениями содержания
нормального белка в клетке, что обусловлено,
чаще всего, мутациями функциональных генов.
Наследственные болезни обмена веществ
называются - ферментопатией
ПИГМЕНТ
(признак )
ген
ген
ген
Вал – Гис – Лей – Тре – Про – Глутамин - Лиз
ЦАА- ГТА- ААТ- ТГА- ГГА- Ц Т Ц - ТТТ
ЦАА-ГТА- ААТ- ТГА- ГГА- Ц А Ц - ТТТ
Вал - Гис - Лей- Тре- Про- Валин - Лиз
Накапливание серпо-
видных клеток в
селезёнке
Склеивание клеток и
нарушение циркуляции
Гибель серповидных
клеток
Фиброз
селезёнки
анемия
Локальные нарушения
кровообращения
Почечная
недостаточность
паралич
Плохое
физическое
развитие
слабость
пневмония
Нарушение
умственной
деятельности
Сердечная
недостаточность
ревматизм
Боли в
животе
Знание биохимических механизмов развития
заболевания позволяет лечить наследственные
аномалии обмена веществ путём введения в
организм несинтезирующихся в нём ферментов,
необходимых для нормального осуществления
обменных циклов или путём исключения из
пищевых рационов продуктов, которые не могут
быть использованы вследствие недостаточности
необходимых для этого ферментов.
Абиогенное образование простых
органических соединений
Аминокислота + Аминокислота
БЕЛКИ
Белки
Белки
коацерваты
Реакции синтеза
Увеличение размера
коацерватной капли.
Деление на дочерние
коацерваты.
Возникновение мембраны
обмен веществ
Пробионты