Трансляция как второй этап биосинтеза белков в клетке. Транспортные РНК

Цели: продолжить формирование знаний о механизмах биосинтеза белка на примере трансляции; показать роль транспортных РНК в процессе биосинтеза белка; раскрыть механизмы матричного синтеза полипептидной цепи на рибосомах.

Оборудование: таблицы по общей биологии “Генетический код”, “Биосинтез белка”; динамическая модель “Биосинтез белка”.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Актуализация опорных знаний

Класс разбивается на группы, каждая из которых получает свое задание.

На выполнение заданий дается 5—6 мин., после чего в классе организуется их обсуждение.

III. Изучение новой темы

1. Вступительная беседа.

— Итак, на прошлом занятии мы рассмотрели I этап биосинтеза белка — транскрипцию, в результате которой информация с языка ДНК переводится на язык РНК, что фактически сводится к замене одной буквы алфавита ДНК на другую, свойственную РНК (вместо тимина — урацил). Информационная же РНК позволяет осуществляться очередной смене языков: на этот раз с языка РНК на язык аминокислотной последовательности белков.

— Какие же условия необходимы для этого процесса, получившего название трансляции (лат. “translatio” — перевод), нам предстоит выяснить сегодня на уроке.

Учитель объявляет тему занятия.

— Правильный перенос информации от u-РНК к полипептиду обеспечивается за счет рибосом, которые являются центрами синтеза белка. Какие особенности строения характерны для рибосом? (Рибосомы — это немембранные органеллы клетки, состоящие из двух субъединиц.)

Комментарии учителя. Природа создала универсальную организацию рибосом. Какой бы живой организм мы ни взяли, в любых его клетках рибосомы построены по единому плану: они состоят из двух субчастиц — большой и малой. Малая субчастица отвечает за генетические, декодирующие функции; большая — за биохимические, ферментативные.

В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр (ФЦР) с двумя участками — акцепторным и донорным. В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов u-РНК: три — в акцепторном, три — в донорном участках.

В процессе синтеза белка рибосома защищает u-РНК и синтезируемый белок от разрушающего действия клеточных ферментов. Механизм защитного действия заключается в том, что нить u-РНК проходит между большой и малой субъединицами рибосомы, а начальная часть вновь синтезируемого белка находится в каналоподобной структуре большой субъединицы.

Учитель обращает внимание на рис. 15, с. 34 учебника И.Н. Пономаревой.

— Однако в ходе изучения механизмов биосинтеза белка было выяснено, что сама аминокислота в несколько раз меньше, чем кодирующий ее триплет нуклеотидов. Что же тогда осуществляет связь и корреляцию между аминокислотой и триплетом u-РНК? (В клетке имеются специальные образования — это транспортные РНК, которые транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка.)

2. Доклад учащегося.

На этом этапе урока заранее подготовленный ученик рассказывает о строении m-РНК, используя таблицу “Генетический код”.

Возможные источники информации:

1) Энциклопедия для детей. Т. 2. Биология. — 5-е изд., перераб. и доп. / Глав. ред. М. Аксенова, вед. научн. ред. Г. Вальчек. — М.: Аванта⁺, 2004. — 704 с.: ил.

2) Шерстнев МП., Комаров О.С. Химия и биология нуклеиновых кислот: Кн. для учащихся 10—11 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1990. — 160 с., 8 л, ил.: лл. — (Мир знаний).

3. Рассказ учителя.

Синтез полипептидной цепи белковой молекулы начинается с активации аминокислот, которую осуществляют специальные ферменты — кодазы. Кодазы обладают очень высокой специфичностью как в отношении аминокислоты, так и в отношении т-РНК. Каждой аминокислоте соответствует как минимум один фермент-кодаза, то есть их всего не менее двадцати. Кодаза, связывая аминокислоту и соответствующие m-РНК, обеспечивает присоединение аминокислоты к акцепторному участку m-РНК с затратой энергии АТФ.

Функционирование рибосомной системы начинается со взаимодействия u-РНК с субъединицей рибосомы, к донорному участку которой присоединяется инициаторная m-РНК, всегда метиониновая.

Любая полипептидная цепь начинается с метионина, который в дальнейшем отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к C- концу, то есть пептидная связь обращается между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.

Далее к образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы, после чего весь рибосомный комплекс начинает перемещаться вдоль u-РНК. При этом акцепторный участок ФЦР находится впереди, а донорный участок — сзади.

К акцепторному участку поступает вторая m-РНК, чей антикодон комплиментарен кодону u-РНК, находящемуся в данном участке ФЦР. Между метионином и аминокислотой акцепторного участка образуется пептидная связь, после чего метиониновая m-РНК отсоединяется, а растущую цепь белка акцептирует (присоединяет) вторая m-РНК. После образования пептидной связи m-РНК перемещается в донорный участок ФЦР. Одновременно с этим рибосома целиком передвигается в направлении следующего кодона u-РНК, а метиониновая m-РНК выталкивается в цитоплазму. В освободившийся акцепторный участок приходит новая m-РНК, связанная с аминокислотой, которая шифруется очередным кодоном и РНК. Снова происходит образование пептидной связи, и белковая молекула удлиняется еще на одно звено. Соединение аминокислот в полипептидную цепь осуществляется в месте выхода каналоподобной структуры в пространство (зазор) между большой и малой субчастицами рибосомы так, что синтезируемый белок располагается в этой каналоподобной структуре и по завершении синтеза через пору в мембране ЭПС поступает в ее внутреннее пространство для окончательного формирования и транспорта по месту назначения. Трансляция вдет до тех пор, пока в акцепторный участок не попадет стоп- кодон, являющийся “знаком препинания” между генами. На этом элонгация, то есть рост полипептидной цепи, завершается.

Полипептидная цепь отделяется от m-РНК и покидает рибосому, которая в дальнейшем распадается на субчастицы. Процесс завершения синтеза белковой молекулы называется терминацией.

Для увеличения эффективности функционирования u-РНК часто соединяется не с одной, а с несколькими рибосомами. Такой комплекс называется полисомой, на котором протекает одновременный синтез нескольких полипептидных цепей.

Таким образом, процесс синтеза белка представляет собой серию ферментативных реакций, идущих с затратой энергии АТФ.

С какой же скоростью осуществляются реакции синтеза белков?

4. Решение задач.

Учитель предлагает решить задачу.

Какова скорость синтеза белка у высших организмов, если на сборку инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, затрачивается 7,3 с?

Решение:

51 : 7,3 = 7 (аминокислот в 1 сек.).

(Ответ: в 1 сек. сливается 7 аминокислот.)

— Действительно, скорость передвижения рибосомы по u-РНК составляет 5—6 триплетов в секунду, а на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, клетке требуется 1—2 минуты.

— Инсулин является первым белком, синтезированным искусственно. Но для этого потребовалось провести около 5000 операций, над которыми трудились 10 человек в течение 3 лет.

IV. Общие выводы по теме “Биосинтез белка”

V. Закрепление

Решите задачу.

Сколько нуклеотидов содержат гены (обе цепи ДНК), в которых запрограммированы белки из: а) 500 аминокислот; б) 250 аминокислот; в) 48 аминокислот.

Какое время понадобится для синтеза этих белков клетки, если скорость передвижения рибосомы по u-РНК составляет 6 триплетов в секунду?

Решение:

а) для кодирования 500 аминокислот необходимо:

3 • 500 • 2 = 3000 (нуклеотидов);

б) для кодирования 250 аминокислот:

3 • 250 • 2 = 1500 (нуклеотидов);

в) для кодирования 48 аминокислот необходимо:

3 • 48 • 2 = 288 (нуклеотидов).

u-ДНК содержит:

а) 3000 : 2 — 1500 (нуклеотидов);

б) 1500 : 2 = 750 (нуклеотидов);

в) 288 : 2 = 144 (нуклеотидов).

На синтез этих белков затрачивается:

а) 1500 : 6 = 250 с (или 4,2 мин);

б) 750 : 6 = 125 с (или 2 мин);

в) 144 : 6 = 24 с (или 0,4 мин).

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского, §2.13, с. 74—76, термины; ответить на вопрос № 5, с. 76.

Учебник И.Н. Пономаревой, §10, с. 34—35, задание № 3, с. 35.

Творческие задания.

Подготовить сообщение “Протеомика — новая отрасль биологии”, “Современные представления о генах”, “Геномика — что это за наука?”