Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих мембран
, органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки «изготовляют» белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно.
Синтез белка требует больших затрат энергии.
Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является АТФ
. Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот в их молекуле. В свою очередь наследственная информация
о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков.
Генетический код.
Каждой аминокислоте белка в ДНК соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов - триплет. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (рис. 33). Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет: 43 = 64, т. е. можно закодировать 64 различных аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов - кодонов.
Предполагается, что такое свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отразиться на структуре белка - все равно это будет кодон аланина.
Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало и конец того или иного гена.
Очень важное свойство генетического кода - специфичность, т. е. один триплет всегда обозначает только одну- единственную аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерий до человека.
Транскрипция. Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в клетки. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК (рис. 34). Это происходит следующим образом: против, например, гуанина молекулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против аденина молекулы ДНК - урацил РНК (вспомните, что в РНК в нук- леотиды вместо тимина включен урацил), напротив тимина ДНК - аденин РНК и напротив цитозина ДНК - гуанин РНК. Таким образом, формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил название транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу жмогут взаимодействовать с рибосомами, и начинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму.
В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (т-РНК).
Транспортные РНК.
Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входят около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 35). Их молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному «на верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой Т-РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.
Трансляция.
В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка - трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 36). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на ко-тором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке (рис. 37). В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую растущую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать строящийся» белок. Когда же в рибосоме оказывается один лз триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна т-РНК к такому триплету присоединиться не може:т, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.
Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, четвертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомой.
Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, структура которого закодирована в новой и-РНК.
Таким образом, трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.
Подсчитано, что все белки организма млекопитающего могут быть закодированы всего двумя процентами ДНК, содержащимися в его клетках. А для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого гена. Вот почему все клетки, например человеческого организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтезировать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других - задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах.
Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуются специализированные ферменты.
Ген. Генетический код. Триплет. Кодон. Транскрипция. Антикодон. Трансляция. Полисома.
1. Что такое транскрипция?
2. Что такое трансляция?
3. Где происходят транскрипция и трансляция?
4. Что такое полисома?
5. Почему в различных клетках какого-либо организма «работает» только часть генов?
6. Может ли существовать клетка, не способная к самостоятельному синтезу вещест.
Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 9 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
План-конспект урока : «Синтез белков в клетке»
(Для профильного 10-ого класса, время урока - на 2 часа)
Учитель: Мастюхина Анна Александровна
МОУ «СОШ имени генерала Захаркина И.Г.»
Задача урока:
Образовательная: изучить особенности биосинтеза белков в клетке , изучить понятия: ген, генетический код, триплет, кодон, антикодон, транскрипция, трансляция, полисома ; п родолжить формирование знаний о механизмах биосинтеза белка на примере трансляции; выяснить роль транспортных РНК в процессе биосинтеза белка; раскрыть механизмы матричного синтеза полипептидной цепи на рибосомах.
Развивающая: в целях развития познавательного интереса учащихся заранее подготовить сообщения(«Интересные факты о гене», «Генетический код»,«Транскрипция и трансляция») . Для развития навыков практического труда составит синквейн. В целях развития логического мышления научится решать задачи.
Воспитательная: В целях формирования научного мировоззрения доказать важность и значимость синтеза белков в клетках, а также их жизненную необходимость.
Ф.О.У.Р .: урок.
Тип урока : комбинированный
Вид урока : с презентацией « Синтез белков в клетке » и демонстрацией магнитных моделей.
Оборудование:
презентация «Синтез белков в клетке »; таблица «Генетический код»; Схема «Образование и-РНК по матрице ДНК (транскрипция)»; Схема «Строение т-РНК»; Схема «Синтез белка в рибосом (трансляция)»; Схема «Синтез белка на полисоме»; Карточки с заданиями и кроссворд; магнитные модели.
Методы и методические приемы:
I .Организация класса.
На предыдущих уроках мы изучали вещества, называемые нуклеиновыми кислотами. В следствии
чего рассмотрели два их вида: ДНК и РНК, ознакомились с их строением и функциями. Выяснили что в состав каждой из нуклеиновых кислот входят четыре различных азотистых основания, которые соединяются друг с другом по принципу комплементарности. Все эти знания понадобятся нам при изучении сегодняшней новой теме. Итак запишите ее название в своих рабочих тетрадях «Синтез белка в клетке».
II .Изучение нового материала:
1)Актуализация знаний:
Прежде, чем приступить к изучению новой темы, вспомним: что такое обмен веществ (метаболизм):
МЕТАБОЛИЗМ – совокупность всех ферментативных реакций клетки, связанных между собой и с внешней средой, состоящая из пластического
и энергетического обменов.
Давайте составим синквейн, первое слово которого - обмен веществ. (1-обмен веществ
2-пластический, энергетический
3-протекает,поглощает,выделяет
4-совокупность ферментативных реакций клетки
5-метаболизм)
Биосинтез белка относится к реакциям пластического обмена.
Биосинтез белка – важнейший процесс в живой природе. Это создание молекул белка на основе информации о последовательности аминокислот в его первичной структуре, заключенной в структуре ДНКЗадание: закончите предложения, вписав недостающие термины.
1. Фотосинтез – это … (синтез органических веществ на свету).
2. Процесс фотосинтеза осуществляется в органеллах клетки – … (хлоропластах).
3. Свободный кислород при фотосинтезе выделяется при расщеплении … (воды).
4. На какой стадии фотосинтеза образуется свободный кислород? На … (световой).
5. В течение световой стадии … АТФ. (Синтезируется.)
6. В темновой стадии в хлоропласте образуется … (первичный углевод – глюкоза).
7. При попадании солнечного счета на хлорофилл происходит … (возбуждение электронов).
8. Фотосинтез происходит в клетках … (зеленых растений).
9. Световая фаза фотосинтеза происходит в … (тилакоидах).
10. Темновая фаза происходит в … (любое) время суток.
Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является присущих ей белков.
Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих , органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки «изготовляют» белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно.
2)Изучение нового материала:
Синтез белка требует больших затрат энергии.
Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является . Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот в их молекуле. В свою очередь наследственная о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков.
Генетический код.
Каждой аминокислоте белка в соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов - триплет. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (рис. 33). Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет: 43 = 64, т. е. можно закодировать 64 различных аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов - кодонов.
Предполагается, что такое свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отразиться на структуре белка - все равно это будет кодон аланина.
Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало и конец того или иного гена.
Очень важное свойство генетического кода - специфичность, т. е. один триплет всегда обозначает только одну- единственную аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерий до человека.
Транскрипция. Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в
клетки. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК (рис. 34). Это происходит следующим образом: против, например, гуанина молекулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против аденина молекулы ДНК - урацил РНК (вспомните, что в РНК в нук- леотиды вместо тимина включен урацил), напротив тимина ДНК - аденин РНК и напротив цитозина ДНК - гуанин РНК. Таким образом, формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил название транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу жмогут взаимодействовать с рибосомами, и начинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму.
В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (т-РНК).
Транспортные РНК.
Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входят около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 35). Их молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному «на верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой Т-РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.
Трансляция.
В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка - трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 36). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на ко-тором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке (рис. 37). В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую растущую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать строящийся» белок. Когда же в рибосоме оказывается один лз триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна т-РНК к такому триплету присоединиться не може:т, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.
Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, четвертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомой.
Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, структура которого закодирована в новой и-РНК.
Таким образом, трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.
Подсчитано, что все белки организма млекопитающего могут быть закодированы всего двумя процентами ДНК, содержащимися в его клетках. А для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого гена. Вот почему все клетки, например человеческого организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтезировать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других - задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах.
Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуются специализированные ферменты.
IV .Закрепление материала:
Заполните таблицу:
В-1
Биосинтез белка состоит из двух последовательных этапов: транскрипции и трансляции.
Решите задачу 1:
Даны антикодоны тРНК: ГАА, ГЦА, ААА, АЦГ. Используя таблицу генетического кода, определите последовательность аминокислот в молекуле белка, кодоны иРНК и триплеты во фрагменте гена, кодирующего этот белок.
Решение:
Кодоны иРНК: ЦУУ – ЦГУ – УУУ – УГЦ.
Последовательность аминокислот: лей – арг – фен – цис.
Триплеты ДНК: ГАА – ГЦА – ААА – АЦГ.
Задание 2
ТГТ-АЦА-ТТА-ААА-ЦЦТ. Определить последовательность нуклеотидов иРНК и последовательность аминокислот в белке, который синтезируется под контролем этого гена.
Ответ: ДНК: ТГТ-АЦА-ТТА-ААА-ЦЦТ
иРНК: АЦА-УГУ-ААУ-УУУ-ГГА
Белок: тре---цис---асп---фен---гли.
В-2
Решите задачу 1:
Дан фрагмент двуцепочечной молекулы ДНК. Воспользовавшись таблицей генетического кода, определите структуру фрагмента белковой молекулы, кодируемой этим участком ДНК:
ААА – ТТТ – ГГГ – ЦЦЦ
ТТТ – ААА – ЦЦЦ – ГГГ.
Решение:
Так как иРНК синтезируется всегда только на одной цепи ДНК, которую на письме принято изображать как верхнюю, то
иРНК: УУУ – ААА – ЦЦЦ – ГГГ;
фрагмент белка, кодируемый верхней цепью: фен – лиз – про – гли.
Задание 2 : участок ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
ТГТ-АЦА-ТТА-ААА-ЦЦТ. Определить последовательность нуклеотидов и-РНК и последовательность аминокислот в белке, который синтезируется под контролем этого гена.
Ответ: ДНК: АГГ-ЦЦТ-ТАТ-ГГГ-ЦГА
иРНК: УЦЦ-ГГА-АУА-ЦЦЦ-ГЦУ
Белок: сер---гли---изо---про---ала
А теперь прослушаем интересные сообщения, которые Вы подготовили.
«Интересные факты о гене»
«Генетический код»
«Транскрипция и трансляция»
VI .Подведение итогов урока.
1)Вывод по уроку: Одним из важнейших процессов, протекающих в клетке, является синтез белков. Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих мембран, органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки изготовляют белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно. Синтез белка требует больших затрат энергии. Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является АТФ.
2)Оценить самостоятельную работу учащихся и их работу у доски. Так же оценить активность участников беседы и докладчиков.
V II . Домашнее задание:
Повторить § 2.13.
Разгадайте кроссворд:
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 надёжность хранения и передачи генетической информации при делении клеток.
6. Участок ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного белка.
7. Последовательность из трёх 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».
10. Кодон, не кодирующий АК, а только показывает, что синтез белка должен быть завершён.
11. 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 иРНК нужно прекратить.
14. Генетический код... для всех живых организмов от бактерий до человека.
- до 2 минут
-вступительное слово учителя
-35 минут
-10 минут
-учитель
-у доски 1 ученик
-ученики, записывают в тетради
-учитель
- с места
-слайд 1 и 2
-слайд 3
-слайд 4
-слайд 5
-слайд 6
-слайд 7 и 8
-слайд 9 и 10
-слайд 11 и 12
-слайд 13
-слайд 14
-слайд 15 и16
-слайд 17 и 18
-слайд 19 и 20
-логический переход
-слайд 21
-учитель
-25 минут
-учитель
-учитель
-слайд 22
-учитель
-слайд 23
-слайд 24
-слайд 25
-15 минут
слайд 27
-группа №1
-индивидуально на карточках
-группа № 2
-индивидуально на карточках
-30 минут
-заранее подготовленные
-слайд 29
-10 минут (1 уч.)
-10 минут (2 уч.)
-10 минут (3 уч.)
-5 минут
-учитель
-3минуты
-слайд 30
-на карточках
Роль белков в клетке и организме
Роль белка в жизни клетки и основные этапы его синтеза. Строение и функции рибосом. Роль рибосом в процессе синтеза белка.
Белки играют исключительно большую роль в процессах жизнедеятельности клетки и организма, им свойственны следующие функции.
Структурная. Входят в состав внутриклеточных структур‚ тканей и органов. Например, коллаген и эластин служат компонентами соединительной ткани: костей‚ сухожилий‚ хрящей; фиброин входит в состав шелка‚ паутины; кератин входит в состав эпидермиса и его производных (волосы‚ рога‚ перья). Образуют оболочки (капсиды) вирусов.
Ферментативная. Все химические реакции в клетке протекают при участии биологических катализаторов - ферментов (оксидоредуктазы, гидролазы, лигазы, трансферазы, изомеразы, и лиазы).
Регуляторная. Например, гормоны инсулин и глюкагон регулируют обмен глюкозы. Белки–гистоны участвуют в пространственной организации хроматина, и тем самым влияют на экспрессию генов.
Транспортная. Гемоглобин переносит кислород в крови позвоночных, гемоцианин в гемолимфе некоторых беспозвоночных, миоглобин - в мышцах. Сывороточный альбумин служит для транспорта жирных кислот‚ липидов и т. п. Мембранные транспортные белки обеспечивают активный транспорт веществ через клеточные мембраны (Na+, К+-АТФаза). Цитохромы осуществляют перенос электронов по электронтранспортным цепям митохондрий и хлоропластов.
Защитная. Например, антитела (иммуноглобулины) образуют комплексы с антигенами бактерий и с инородными белками. Интерфероны блокируют синтез вирусного белка в инфицированной клетке. Фибриноген и тромбин участвуют в процессах свертывания крови.
Сократительная (двигательная). Белки актин и миозин обеспечивают процессы мышечного сокращения и сокращения элементов цитоскелета.
Сигнальная (рецепторная). Белки клеточных мембран входят в состав рецепторов и поверхностных антигенов.
Запасающие белки. Казеин молока, альбумин куриного яйца, ферритин (запасает железо в селезенке).
Белки-токсины. Дифтерийный токсин.
Энергетическая функция. При распаде 1 г белка до конечных продуктов обмена (СО2, Н2О, NH3, Н2S, SО2) выделяется 17‚6 кДж или 4‚2 ккал энергии.
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:
Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).
На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.
На четвертом этапе происходит образование вторичной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.
Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.
Жизнь является процессом существования белковых молекул. Именно так о ней выражаются многие ученые, которые убеждены, что белок является основой всего живого. Эти суждения абсолютно правильны, потому как у данных веществ в клетке наибольшее число основных функций. Все прочие органические соединения играют роль энергетических субстратов, а энергия снова нужна для синтеза белковых молекул.
Этапная характеристика биосинтеза белка
Структура белка закодирована в нуклеиновой или РНК) в виде кодонов. Это наследственная информация, которая воспроизводится каждый раз, когда клетке требуется новое белковое вещество. Началом биосинтеза является в ядро о необходимости синтезировать новый белок с уже заданными свойствами.
В ответ на это деспирализуется участок нуклеиновой кислоты, где закодирована его структура. Это место дублируется информационной РНК и передается на рибосомы. Они отвечают за построение полипептидной цепи на основании матрицы - информационной РНК. Коротко все этапы биосинтеза представлены следующим образом:
- транскрипция (этап удвоения участка ДНК с закодированной структурой белка);
- процессинг (этап образования информационной РНК);
- трансляция (синтез белков в клетке на основании информационной РНК);
- посттрансляционная модификация ("созревание" полипептида, формирование его объемной структуры).
Транскрипция нуклеиновой кислоты
Весь синтез белков в клетке осуществляют рибосомы, а информация о молекулах содержится в нуклеиновой или ДНК). Она располагается в генах: каждый ген - это определенный белок. В генах заложена информация об аминокислотной последовательности нового белка. В случае с ДНК изъятие генетического кода ведется таким образом:
- начинается освобождение участка нуклеиновой кислоты от гистонов, происходит деспирализация;
- ДНК-полимераза удваивает участок ДНК, в котором хранится ген белка;
- удвоенный участок представляет собой предшественника информационной РНК, который обрабатывается ферментами для удаления некодирующих вставок (на его основании ведется синтез иРНК).
На основании проинформационной РНК происходит синтез иРНК. Она уже является матрицей, после этого синтез белков в клетке происходит на рибосомах (в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме).
Рибосомальный синтез белка
Информационная РНК имеет два конца, которые оформляются как 3`- 5`. Считывание и синтез белков на рибосомах начинается с 5`конца и продолжается до интрона - участка, который не кодирует никакую из аминокислот. Это происходит следующим образом:
- информационная РНК "нанизывается" на рибосому, присоединяет первую аминокислоту;
- рибосома смещается по информационной РНК на один кодон;
- транспортная РНК предоставляет нужную (закодированную данным кодоном иРНК) альфа-аминокислоту;
- аминокислота присоединяется к стартовой аминокислоте с формированием дипептида;
- затем иРНК снова смещается на один кодон, подносится альфа-аминокислота и присоединяется к растущей цепочке пептида.
Как только рибосома достигает интрона (некодирующей вставки), информационная РНК просто продвигается далее. Затем, по мере продвижения информационной РНК, рибосома снова достигает экзона - участка, нуклеотидная последовательность которого соответствует определенной аминокислоте.
С этого места снова начинается присоединение мономеров белка к цепочке. Процесс продолжается до момента появления очередного интрона или до стоп-кодона. Последний прекращает синтез полипептидной цепочки, после чего считается завершенной и начинается этап постсинтетической (посттрансляционной) модификации молекулы.
Посттрансляционная модификация
После трансляции синтез белков происходит в цистернах гладкой Последняя содержит небольшое количество рибосом. В некоторых клетках они могут вообще отсутствовать в РЭС. Такие участки нужны для образования сначала вторичной, затем уже третичной или, если это запрограммировано, четвертичной структуры.
Весь синтез белков в клетке происходит с затратой огромного количества энергии АТФ. Потому все остальные биологические процессы нужны для поддержания белкового биосинтеза. Вдобавок некоторая часть энергии нужна для переноса белков в клетке активным транспортом.
Многие из белков переносятся из одной локации клетки в другую для модификации. В частности, посттрансляционный синтез белков происходит в комплексе Гольджи, где к полипептиду определенной структуры присоединяется углеводный или липидный домен.
Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами - синтезом макромолекул: ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена - достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под генетическим контролем. Действие гена обеспечивает транскрипцию , или синтез РНК, и трансляцию , или синтез белка (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Схема процесса транскрипции ДНК РНК-полимеразой и трансляции: а - общая схема транскрипции. Стрелка показывает направление, в котором ДНК-матрица движется через молекулу РНК-полимеразы; б - два этапа: транскрипция и трансляция
Процесс синтеза белка начинается с транскрипции ДНК (как рассматривалось выше). Следующий процесс - трансляция мРНК.
Трансляция мРНК - это синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.
В этом процессе различают три стадии:
- 1. Активация свободных аминокислот - образование аминоациладе- нилатов в результате взаимодействия аминокислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каждой аминокислоты. Эти ферменты - ами- ноацил-тРНК-синтетазы - участвуют и в следующей стадии.
- 2. Аминоацилирование тРНК - присоединение аминокислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комплекса аминоацил-тРНК- синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.
- 3. Собственно трансляция, или полимеризация аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.
Таким образом, при трансляции последовательность расположения нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.
Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУГ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бактерий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый (см. табл. 5.4.). Сигналом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (^-центре), располагающемся преимущественно на малой субъединице рибосомы.
Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует комплекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодоном УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая переносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состоящему из малой субъединицы рибосомы (305), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (505). В результате образуется полностью собранная рибосома, включающая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с аминокислотой. В рибосоме имеются аминоацильный и пептидиль- ный центры.
Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъединицы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, который может соединиться с антикодоном следующей ами- ноацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансляции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептидной цепи. Так, в аминоациль- ный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). При этом выделяется молекула воды:
В результате тРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элонгации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.
В результате процесса трансляции комплекс дипсптндил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставляет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр нс поступит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или УГА.
После поступления в аминоацильный центр рибосомы терминирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что приводит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептидной цепи и субъединиц рибосомы, которые затем диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.
Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонгации) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являются интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс трансляции одинаков у всех организмов.
Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претерпевают постгрансляционные преобразования и в дальнейшем выполняют свои специфические функции. Первичная структура полипептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется природой боковых групп аминокислотных остатков (а-спираль, складчатый P-слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространственной) структурой полипептида , отражающей способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.
Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина включает в себя две a-цепи и две P-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.
Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон-антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной роли рибосом в контроле комплементар- ности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции.