БИОСИНТЕЗБЕЛКА

Махрина Г.Н. учитель биологии и химии НРМОУ « Куть-Яхская СОШ №1»

Цель урока: формирование понимания процесса биосинтеза белка и механизма регуляции активности генов.
Содержание
1. Теоретическая часть
1.1. Введение
1.2. Гипотеза Жакоба-Моно.
1.3. Транскрипция
1.4. Трансляция
1.5. Регуляция синтеза белка.
2. Вопросы для самостоятельной работы
3. Контрольный тест

1.1. Введение
Единственные молекулы, которые синтезируются под контролем генетического материала клетки,-- это белки (если не считать РНК). Белки могут выполнять разные функции; это определяется аминокислотной последовательностью, которая зависит от информации о составе белка, закодированной в последовательности нуклеотидов ДНК (генетический код).
В середине 60-х годов биохимикам удалось выяснить, что, несмотря на то, что «инструкции» о синтезе белка заключены в ДНК, которая почти вся находится в ядре, сам синтез белка фактически происходит в цитоплазме и в нем участвуют рибосомы. Стало ясно, что должен существовать какой-то механизм, переносящий генетическую информацию из ядра на цитоплазму. В 1961 году два французских биохимика Жакоб и Моно, исходя из теоретических соображений, постулировали существование особой формы РНК, выполняющей в синтезе белка роль посредника. В последствии этот посредник получил название матричной РНК.
Перенос информации от ДНК через РНК к полипептидам и белкам называют экспрессией гена.

блокированы
Структурные гены
1.2. Гипотеза Жакоба-Моно.
Генетические инструкции, определяющие аминокислотные последовательности белков, заключены в структурных генах. Активность этих генов регулируется геном-регулятором. Этот ген препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген-регулятор содержит информацию для синтеза белка-репрессора, который будет блокировать структурные гены, связываясь с прилегающим к ним участком—геном-опрератором. Промотор– это место присоединения фермента РНК-полимеразы. От него зависит, какая из цепей ДНК станет матрицей.
ДНК ОПЕРОН
Ген-регулятор
оператор
Белок-
репрессор
1
2
3
1-синтез на основе гена-регулятора белка-репрессора.
2-связывание или не связывание белка-репрессора с геном-оператором
3-если есть связывание, то структурные гены не работают, если ген-
оператор свободен, структурные гены приступают к синтезу белка
Про-
мотор

1.3. Транскрипция
Первый этап биосинтеза белка—транскрипция.
Транскрипция—это переписывание информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК.
А
Т
Г
Г
А
Ц
Г
А
Ц
Т
В определенном участке ДНК под действием ферментов белки-гистоны отделяются, водородные связи рвутся, и
двойная спираль ДНК раскручивается. Одна из цепочек становится матрицей для построения мРНК. Участок ДНК в определенном месте начинает раскручиваться под действием ферментов.
матрица
ДНК

Затем на основе матрицы под действием фермента РНК-полимеразы из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности начинается сборка мРНК.
А
Т
Г
Г
А
Ц
Г
А
Ц
Т
У
А
Ц
Ц
У
Г
Ц
У
Г
А
мРНК
Между азотистыми основаниями ДНК и
РНК возникают водородные связи, а
между нуклеотидами самой матричной
РНК образуются сложно-эфирные связи.
Водородная
связь
Сложно-эфирная
связь

мРНК
После сборки мРНК водородные связи между азотистыми основаниями ДНК и мРНК рвутся, и новообразованная мРНК через поры в ядре уходит в цитоплазму, где прикрепляется к рибосомам. А две цепочки ДНК вновь соединяются, восстанавливая двойную спираль, и опять связываются с белками-гистонами.
МРНК присоединяется к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния. Причем два ее триплета нуклеотидов оказываются обращенными к большой субъединице рибосомы.
ЯДРО
рибосомы
цитоплазма
Mg2+

1.4. Трансляция
Второй этап биосинтеза– трансляция.
Трансляция– перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.
В цитоплазме аминокислоты под строгим контролем ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз соединяются с тРНК, образуя аминоацил-тРНК. Это очень видоспецифичные реакции: определенный фермент способен узнавать и связывать с соответствующей тРНК только свою аминокислоту.
мРНК
А
Г
У
У
Ц
А
У
Ц
А
А
Г
У
а/к
а/к
а/к
У
У
Г
А
Ц
У
У
Г
Ц

Далее тРНК движется к мРНК и связывается комплементарно своим антикодоном с кодоном мРНК. Затем второй кодон соединяется с комплексом второй аминоацил-тРНК, содержащей свой специфический антикодон.
Антикодон– триплет нуклеотидов на верхушке тРНК.
Кодон– триплет нуклеотидов на мРНК.
мРНК
А
Г
У
У
Ц
А
У
Ц
А
А
Г
У
а/к
а/к
а/к
У
У
Г
А
Ц
У
У
Г
Ц
Водородные связи между
комплементарными нуклеотидами

После присоединения к мРНК двух тРНК под действием фермента происходит образование пептидной связи между аминокислотами; первая аминокислота перемещается на вторую тРНК, а освободившаяся первая тРНК уходит. После этого рибосома передвигается по нити для того, чтобы поставить на рабочее место следующий кодон.
мРНК
А
Г
У
У
Ц
А
У
Ц
А
А
Г
У
а/к
а/к
У
У
Г
А
Ц
У
У
Г
Ц
Пептидная
связь
а/к

Такое последовательное считывание рибосомой заключенного в мРНК «текста» продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-кодонов (терминальных кодонов). Такими триплетами являются триплеты УАА, УАГ,УГА.
Одна молекула мРНК может заключать в себе инструкции для синтеза нескольких полипептидных нитей. Кроме того, большинство молекул мРНК транслируется в белок много раз, так как к одной молекуле мРНК прикрепляется обычно много рибосом.
мРНК на рибосомах
белок
Наконец, ферменты разрушают эту
молекулу мРНК, расщепляя ее до
отдельных нуклеотидов.

1.5. Регуляция синтеза белка
Клеточная ДНК несет в себе генетическую программу, необходимую для синтеза сотен различных белков, однако в каждый данный момент клетка синтезирует только те белки, которые нужны ей в это время. Синтез определенных белков контролируется ферментами.
Ферменты, которые образуются постоянно, называются конститутивными.
Ферменты, которые образуются только в присутствии надлежащего индуктора (стимулятора из среды), называются индуцибельными.
Синтез индуцибельных ферментов может стимулироваться индуктором среды. Это индукция ферментов. Индуктор присоединяется к активному центру белка-репрессора, изменяет его структуру так, что тот не может связаться с геном-оператором, и структурные гены работают.
Под действием репрессора среды синтез индуцибельных ферментов прекращается. Это репрессия ферментов. Корепрессор присоединяется к активному центру репрессора и усиливает его действие– связывает ген-оператор и блокирует структурные гены.

Питательная среда с аланином
Питательная среда с триптофаном
E. coli
E. coli
Если кишечная палочка растет на среде с аланином, то она вынуждена вырабатывать триптофансинтетазу– фермент, необходимый для синтеза триптофана. При перенесении кишечной палочки на питательную среду с триптофаном последний выступает в качестве репрессора, синтез триптофансинтетазы подавляется. Это репрессия ферментов.
Триптофан-
синтетаза
Питательная среда с глюкозой
Питательная
среда с лактозой
E. coli
E. coli
β- галактозидаза
лактопермеаза
В среде с лактозой этот углевод выступает в качестве индуктора, стимулируя синтез двух ферментов—β- галактозидазы и лактопермеазы, которые расщепляют лактозу до глюкозы и галактозы. Это индукция ферментов.

2. Вопросы для самостоятельной работы
1) Кишечная палочка выращивалась на питательной среде, содержащей мальтозу и метионин. Для расщепления лактозы бактерии выделяли мальтазу. При перенесении колонии на питательную среду с глюкозой картина изменилась: кишечная палочка стала синтезировать метионинсинтетазу. Определите, что являлось индуктором и репрессором.
2) Последовательность цепочки ДНК следующая:ААЦГГЦТАТГЦА. Какова последовательность синтезирующейся на ней мРНК?
3) В рибосоме два работающих кодона: УУЦ и ГУА. ТРНК с какими антикодонами свяжутся с ними?
ответ
Мальтоза- индуктор
Метионин- репрессор
ответ
УУГЦЦГАУАЦГУ
ответ
ААГ и ЦАУ

4) Представьте себе, что бактериальная клетка несет мутацию, изменившую один из нуклеотидов антикодона тРНК. Как такая мутация может сказаться на синтезе белка?
5) Мужской гормон тестостерон (стероид) присоединяется к рецепторным белкам на клеточной мембране. Рецептор переносит гормон в клеточное ядро, где он стимулирует активность определенных генов. Не все клетки тела чувствительны к данному гормону. Какие клетки имеют рецепторы для тестостерона?
ответ
Мутантная тРНК, несущая свою аминокислоту, может присоединиться к чужому кодону, там самым изменится последовательность аминокислот синтезируемого белка
ответ
Клетки репродуктивных органов;
клетки, отвечающие за синтез
сократительных белков мышц;
клетки, отвечающие за рост
волос на лице и в паху

3. Контрольный тест
1. Матрицей для синтеза молекулы мРНК при транскрипции служит:
а) вся молекула ДНК
б) полностью одна из цепей молекулы ДНК
в) участок одной из цепей ДНК
г) в одних случаях одна из цепей молекулы ДНК, в других– вся
молекула ДНК.
2. Транскрипция происходит:
а) в ядре
б) на рибосомах
в) в цитоплазме
г) на каналах гладкой ЭПС
3. Последовательность нуклеотидов в антикодоне тРНК строго
комплементарна:
а) триплету, кодирующему белок
б) аминокислоте, с которой связана данная тРНК
в) последовательности нуклеотидов гена
г) кодону мРНК, осуществляющему трансляцию

4. Трансляция в клетке осуществляется:
а) в ядре
б) на рибосомах
в) в цитоплазме
г) на каналах гладкой ЭПС
5. При трансляции матрицей для сборки полипептидной цепи белка
служат:
а) обе цепочки ДНК
б) одна из цепей молекулы ДНК
в) молекула мРНК
г) в одних случаях одна из цепей ДНК, в других– молекула мРНК
6. При биосинтезе белка в клетке энергия АТФ:
а) расходуется
б) запасается
в) не расходуется и не выделяется
г) на одних этапах синтеза расходуется, на других– выделяется
7. Исключите лишнее: рибосомы, тРНК, мРНК, аминокислоты, ДНК.
8. Участок молекулы тРНК из трех нуклеотидов, комплементарно
связывающийся с определенным участком мРНК по принципу
комплементарности называется…

9. Согласно гипотезе Жакоба-Моно работой структурных генов
управляет:
а) ген-оператор
б) ген-регулятор
в) белок-репрессор
г) ген-промотор
10. Участок молекулы ДНК, с которым соединяется особый белок-
репрессор, регулирующий транскрипцию отдельных генов,--…
11. Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК
следующая: АТТААЦГЦТАТ. Какова будет последовательность
азотистых оснований в мРНК?
а) ТААТТГЦГАТА
б) ГЦЦГТТАТЦГЦ
в) УААУЦЦГУТУТ
г) УААУУГЦГАУА
12. Участок ДНК, расположенный между геном-регулятором и
оператором, с которым соединяется фермент РНК-полимераза,
обеспечивающий транскрипцию генов,--…