Хранение наследственной информации. Реализация наследственной информации - синтез белка на рибосомах - ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ - 10 класс

Цели урока:

образовательная: сформировать понятие о генетическом коде и механизме реализации генетической информации;

развивающая: создать условия для развития у учащихся логического мышления, памяти и внимания, умения анализировать, оперировать терминами, обобщать и делать выводы;

воспитательная: формировать у учащихся ценностное отношение к научному знанию.

Тип урока: урок изучения новых знаний.

Методы обучения: словесные (беседа, рассказ), наглядный (презентация).

Формы деятельности учащихся: индивидуальная, фронтальная.

Основные термины, понятия: ДНК, РНК, белок, рибосома, цитоплазма, ядро, нуклеотид, аминокислота, триплет, кодон, транскрипция, трансляция, антикодон, промотор, терминатор, РНК-полимераза.

Материалы и оборудование: компьютер, проектор, PowerPoint-презентация.

Перечень знаний, умений, навыков, которые предполагается развивать на данном уроке:

называть свойства генетического кода;

характеризовать процесс биосинтеза белка;

объяснять особенности транскрипции и трансляции.

1. Организационный момент

Ø Деятельность учителя

Проверяет готовность класса к уроку, знакомит с темой и планом урока.

Ø Деятельность учащихся

Записывают дату и тему урока в рабочие тетради.

1. Актуализация знаний, постановка проблемы

Ø Деятельность учителя

Сообщает учащимся, что в каждой живой клетке постоянно идет биосинтез белков. Этот процесс обеспечивает обмен веществ, рост и развитие клеток, т. е. жизнедеятельность организма.

Ставит перед учащимися вопрос: но откуда клетка знает, сколько именно аминокислот ей потребуется для синтеза белка и в какой последовательности их следует располагать?

Ø Деятельность учащихся

Отвечают на вопрос, выдвигают предположения.

III. Изучение нового материала

Ø Деятельность учителя

Объясняет кодирование аминокислот.

При изучении молекул нуклеиновых кислот мы говорили, что ДНК несет в себе генетическую информацию. Это и есть информация о первичной структуре белка, т. е. о последовательности аминокислот. Но каким образом в ДНК закодирована информация о белке? Ведь ДНК — это всего лишь последовательность нуклеотидов.

Итак, последовательность нуклеотидов каким-то образом кодирует последовательность аминокислот. Все многообразие белков образовано из 20 различных аминокислот, а нуклеотидов в составе ДНК — четыре вида. Если предположить, что один нуклеотид кодирует одну аминокислоту, то четырьмя нуклеотидами можно закодировать только четыре аминокислоты. Этого явно недостаточно. Если возьмем два нуклеотида, то количество кодируемых аминокислот возрастет до 16 (4²). И этого тоже недостаточно. Значит, код ДНК должен быть триплетным. Было доказано, что именно три нуклеотида кодируют одну аминокислоту, в этом случае можно будет закодировать 4³ — 64 аминокислоты. Этого становится более чем достаточно.

Ø Деятельность учащихся

Слушают объяснение учителя.

Ø Деятельность учителя

Предлагает записать в тетради: Генетический код и его свойства и вспомнить строение молекулы ДНК. Далее приводит схему ДНК.

Ø Деятельность учащихся

Записывают новый термин в рабочие тетради. Изучают схему.

Ø Деятельность учителя

Перечисляет и объясняет свойства генетического кода по схеме ДНК.

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех следующих друг за другом нуклеотидов.
2. Вырожденность (множественность). Каждая аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Так как аминокислот 20, а триплетов — 64, это позволяет иметь несколько вариантов кодировки. Например, аминокислота серин кодируется шестью различными триплетами, т. е. если встречается какой-либо из этих триплетов, он дает эту аминокислоту.
3. Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. Например, если в молекуле ДНК триплет ТГТ соответствует аминокислоте серин, то он и будет давать аминокислоту серин, а не, например, валин, лейцин, глицин.
4. Неперекрываемость. Один и тот же нуклеотид не может входить в состав двух соседних триплетов.
5. Непрерывность. Триплеты следуют друг за другом без пробелов и знаков препинания.

Следует показать на схеме ДНК, как генетический код читается триплетами друг за другом.

Если произойдет выпадение одного нуклеотида, то его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кодона, из-за чего изменится весь порядок считывания. Аналогично может произойти и вставка нуклеотида.

6. Универсальность. Генетический код одинаков, одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех организмов Земли.

Ø Деятельность учащихся

Записывают свойства генетического кода в рабочие тетради.

Ø Деятельность учителя

Подводит итог в виде фронтального опроса (дает определение какому-либо свойству генетического кода, а учащийся должен это свойство назвать).

Ø Деятельность учащихся

Отвечают на вопросы, используя записи, сделанные в рабочих тетрадях; анализируют и сравнивают изучаемые объекты, выдвигают предположения.

Ø Деятельность учителя

Продолжает объяснение.

Мы поговорили о том, как кодируется в молекуле ДНК генетическая информация. Но есть еще вопрос: как же происходит её реализация?

Задает вопросы.

1. Где происходит биосинтез белка?

Предполагаемый ответ: в рибосомах.

2. Где они располагаются?

Предполагаемый ответ: в цитоплазме.

3. А где находится ДНК?

Предполагаемый ответ: в ядре.

Следовательно, ДНК нужно как-то перенести из ядра в цитоплазму, на рибосомы. Но рибосом в клетке может быть несколько десятков тысяч, к тому же находиться они могут в разных местах. Так что сделать это для клетки достаточно проблематично. Какой может быть выход?

Ø Деятельность учащихся

Отвечают на вопросы. Выдвигают предположения.

Ø Деятельность учителя

Слушает предположения учащихся (если есть рациональные ответы, обобщает их).

Выходит на следующий момент построения ассоциаций. Представьте себе такую ситуацию: вам необходимо подготовить доклад к уроку. Но по каким-то причинам не работает Интернет. Тогда вы идете в библиотеку, например Национальную. Там вы по каталогу находите необходимую книгу, ее доставляют из хранилища. В книге имеется нужная вам информация на нескольких страницах. Но, как известно, из Национальной библиотеки вынести книгу нельзя. Как вы поступите?

Ø Деятельность учащихся

Отвечают на вопрос.

Предполагаемый ответ: информацию можно отксерокопировать, сфотографировать, отсканировать или просто переписать.

Ø Деятельность учителя

Выслушивает ответы и развивает тему.

Верно. А потом с этой информацией вы можете спокойно идти на урок и делать доклад. Кроме того, любой другой человек может прийти и точно так же воспользоваться той же книгой, т. е. скопировать информацию несколько раз. Вот и в клетке так. Национальная библиотека — это ядро, книгохранилище — это ДНК. Скопированная вами информация — это посредник, молекула мРНК (матричная РНК, также можно встретить термин иРНК — информационная), которая может быть отправлена на рибосомы для синтеза белка.

Давайте рассмотрим процесс копирования более подробно. Называется он транскрипцией. Транскрипция — это процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК.

Как мы уже говорили, в ДНК записана информация о множестве белков. Однако в нашем случае необходимо скопировать информацию лишь об одном белке. Как это сделать? Как найти нужный участок на молекуле ДНК, где записана информация об этом белке?

Дает определение гену. Ген — это участок молекулы ДНК, несущий информацию об одном белке.

Ø Деятельность учащихся

Записывают новый термин и основные моменты в рабочие тетради.

Ø Деятельность учителя

Объясняет по схеме синтез мРНК.

Но как же определить, где начало гена, а где его конец? Для этого на молекуле ДНК имеются специальные последовательности нуклеотидов. В начале каждого гена существует специфическая последовательность, которая называется промотором. С него и начинается синтез молекулы мРНК, которая будет нести информацию только о белке, кодируемом этим геном. Осуществляет же процесс транскрипции специальный белок-фермент РНК-полимераза — он, скажем так, выступает в роли ксерокса / сканера / фотоаппарата. Происходит это следующим образом. Определенный участок двуцпочечной ДНК раскручивается. Вдоль одной из цепочек (кодирующей, матричной, транскрибируемой) движется РНК-полимераза, соединяя нуклеотиды между собой в растущую цепь мРНК. Такая мРНК является комплементарной транскрибируемой цепи ДНК, а это значит, что порядок нуклеотидов в мРНК строго определен порядком нуклеотидов в ДНК, только вместо тимина в РНК входит урацил. Синтезируется мРНК до тех пор, пока не дойдет до определенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, которая указывает на то, что синтез надо прекратить. Такая последовательность называется терминатором.

Ø Деятельность учащихся

Записывают новые термины и основные моменты в рабочие тетради.

Ø Деятельность учителя

Продолжает объяснение.

Теперь у нас имеется посредник с генетической информацией в виде молекулы мРНК. Молекулы мРНК через ядерные поры выходит в цитоплазму, где на рибосомах и осуществляется процесс синтеза белка. Этот процесс получил название “трансляция”. Трансляция — это перевод нуклеотидной последовательности молекулы РНК в аминокислотную последовательность белка. Триплеты на мРНК, которые кодируют конкретные аминокислоты, называются кодонами. Трансляция осуществляется при участии разных тРНК, которые связаны с аминокислотами, рибосомами и множеством белков. Опишем свойства каждого из перечисленных компонентов.

Ø Деятельность учащихся

Записывают новые термины и основные моменты в рабочие тетради.

Ø Деятельность учителя

Объясняет строение и функции тРНК.

Молекула тРНК состоит обычно из 75-85 нуклеотидов и обладает характерной формой, которую называют “клеверным листом”. Основная функция тРНК — доставка аминокислот к месту синтеза белка и специфическое взаимодействие с иРНК. Каждая тРНК переносит только одну аминокислоту.

В структуре тРНК содержится несколько важных участков, главными из которых являются антикодон и акцепторный конец.

Антикодон служит для взаимодействия тРНК с комплементарным кодоном мРНК. Поэтому он состоит из трех нуклеотидов. К определенному кодону иРНК сможет присоединиться не любая гРНК, а только такая, которая содержит комплементарный этому кодону антикодон.

Акцепторный конец служит для присоединения аминокислот к тРНК. Это необходимо потому, что в трансляции не участвуют свободные аминокислоты. Каждая аминокислота должна быть связана е переносчиком. Роль этого переносчика выполняет тРНК. Аминокислота присоединяется к тРНК ковалентными связями, используя анергию АТФ. Реакция катализируется специализированными ферментами. Сколько же в клетке существует видов тРНК? В биосинтезе белка участвует 20 аминокислот. Можно предположить, что количество видов тРНК должно соответствовать количеству аминокислот, т. е. тоже составлять 20. Но эго не так. Чтобы в этом убедиться, необходимо рассмотреть таблицу генетического кода и вспомнить такое свойство генетического кода, как избыточность. Согласно этому свойству, большая часть аминокислот кодируется более чем одним кодоном. Для некоторых аминокислот количество кодонов достигает шести. Поэтому для одной аминокислоты может быть несколько видов тРНК, которые отличаются друг от друга антикодонами.

Рибосомы — органоиды, специально приспособленные к биосинтезу полипептидных цепей белка. Когда рибосомы не участвуют в трансляции, эти субъединицы разделяются. Их соединение происходит только тогда, когда рибосома приступает к синтезу белка. Субъединицы содержат белок и рРНК примерно в равных долях. В клетках прокариот они рассредоточены по всей цитоплазме, | в клетках эукариот — связаны с шероховатым эндоплазматическим ретикулумом или свободно лежат в цитоплазме. Рибосомы есть в митохондриях и хлоропластах, где также осуществляется синтез белка.

Рибосомы прикрепляются к мРНК и движутся вдоль нее, образуя ковалентные пептидные связи между аминокислотами, которые поставляют к рибосомам тРНК. Таким образом, функция рибосом — образование пептидных связей между аминокислотами.

Количество рибосом колеблется в клетке от 20 000 до 50 000 — в зависимости от потребности клетки в белке. Рибосомам абсолютно безразлично, какой белок они синтезируют. Это связано с тем, что первичная последовательность белка зашифрована в мРНК, и повлиять на нее рибосома не может. Этим успешно пользуются такие внутриклеточные паразиты, как вирусы: предоставляя свои мРНК в качестве матрицы, они заставляют рибосомы клетки-хозяина синтезировать необходимый для своей жизнедеятельности белок. Кроме того, проводились эксперименты, когда в пробирку помещали рибосомы крысы, а на них синтезировались белки, растений, грибов, человека.

Процесс трансляции протекает в несколько стадий.

1. Начало трансляции. Сначала происходит связывание мРНК с малой субъединицей рибосомы. Здесь всегда находится первый кодон АУГ — стартовый кодон. С ним связывается тРНК, несущая аминокислоту метионин. Поэтому, какова бы ни была последовательность аминокислот в белке, первой аминокислотой во всех белках будет Мет. После присоединения к мРНК первой тРНК к малой субъединице рибосомы присоединяется большая субъединица Только после сборки полной рибосомы синтез белка может продолжиться.
2. Синтез полипептидной цепи. Далее в рибосому поступает вторая тРНК, которая спаривается с кодоном мРНК, находящимся за кодоном АУГ. Таким образом, с двумя соседними кодонами мРНК спариваются две тРНК, каждая из которых несет свою аминокислоту.

Когда две тРНК находятся рядом, между аминокислотами образуется пептидная связь. За образование пептидных связей отвечает большая субъединица рибосомы.

Образовавшийся дипептид “перебрасывается” на вторую тРНК, а рибосома передвигается вдоль мРНК на один кодон. Рибосома всегда движется по мРНК в направлении от 5'-конца к 3'-концу.

Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, покидает рибосому. К образованному дипептиду присоединяется третья аминокислота, принесенная в рибосому своей тРНК.

Далее полипептидная цепь удлиняется за счет последовательного присоединения аминокислот, каждая из которых доставляется к рибосоме при помощи соответствующей тРНК и встраивается а определенное положение.

Каждая молекула тРНК может использоваться в качестве “носителя” аминокислоты многократно. Иными словами, освободившись м процессе трансляции от предыдущей аминокислоты, тРНК становится способной связывать следующую молекулу того же вида аминокислот.

3. Окончание трансляции. Процесс трансляции продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдет до одного из трех кодонов — УАГ, УАА или УГА. Поэтому они называются также стоп-кодонами.

Почему процесс трансляции заканчивается именно на этих кодонах, а не на каких-либо других? Дело в том, что в клетке отсутствуют тРНК с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам. Поэтому рибосома останавливается, когда встречает стоп-кодон и не может продолжить синтез белка.

Ø Деятельность учащихся

Слушают объяснение учителя.

Ø Деятельность учителя

Переходит к закреплению материала (при условии, что учащиеся хорошо его усвоили. Если возникли проблемы с пониманием, возвращается к ключевым особенностям процесса транскрипции и трансляции с более простой точки зрения).

Ø Деятельность учащихся

Изучают процесс трансляции.

1. Закрепление изученного материала

Ø Деятельность учителя

Вызывает учащегося к доске и дает задание: используя таблицу генетического кода по транскрибируемым / нетранскрибируемым участкам молекулы ДНК, построить молекулу пептида и найти последовательность антикодонов тРНК.

Молекулу ДНК, ее размер и последовательность нуклеотидов определяет учитель.

Остальным учащимся предлагает разгадать кроссворд.

По горизонтали:

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 надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток.
6. Участок ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного белка.
7. Последовательность из трех 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”.

По вертикали:

10. Кодон, не кодирующий АК, а только показывающий, что синтез белка должен быть завершен.
11. 1 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 нРНК нужно прекратить.
14. Генетический код ... для всех живых организмов — от бактерий до человека.

Ответы

По горизонтали:

1. Промотор. 2. Трансляция. 3. АУГ. 4. ДНК. 5. Вырожденность. 6. Геном. 7. Триплет. 8. Полисома. 9. Транскрипция.

По вертикали:

10. Стопкодон. 11. Первичная. 12. Специфичность. 13. Терминатор. 14. Универсален.

Ø Деятельность учащихся

Вызванный к доске выполняет задание, остальные разгадывают кроссворд.

1. Подведение итогов урока. Рефлексия

Ø Деятельность учителя

Предлагает учащимся ответить на следующие вопросы:

— Что нового вы узнали на уроке?

— В какой момент урока вы чувствовали себя особенно успешными?

— За что бы вы себя похвалили на уроке?

— Что изменили бы в своих действиях на уроке?

— Что вам понравилось на уроке больше всего?

— Что бы вы изменили на уроке в последующем?

Ø Деятельность учащихся

Устно отвечают на вопросы.

1. Домашнее задание

Ø Деятельность учителя

Задает домашнее задание:

— изучить § 29, 30 учебного пособия, ответить на вопросы после параграфа.

Ø Деятельность учащихся

Записывают в дневники домашнее задание.