Задачи:
- Расширить знания учащихся о различных формах обмена веществ в клетке и организме, на примере биосинтеза белков.
- Конкретизировать понятие пластического обмена, сформировать знания о специфичности белков для каждого вида клеток, о способности клетки синтезировать лишь свойственные ей белки, о гене, генетическом коде, о синтезе иРНК (транскрипции), роли тРНК, ферментов и АТФ в биосинтезе белка, о работе рибосом.
Показать учащимся познаваемость окружающего мира на примере моделирования процесса биосинтеза белка.
Оборудование:
- Средства наглядности: таблицы по общей биологии, модель молекулы ДНК, модель биосинтеза белка;
ТСО: кодограммы по данной теме;
План урока семинара:
- Экспресс-опрос (фронтальная работа по вопросам)
- Групповая работа по вопросам:
- Постулаты генетического кода (все группы);
- Структура гена (1 группа);
- Транскрипция (2 группа);
- Строение и функции тРНК (3 группа).
- Моделирование процесса трансляции:
- Инициация (3 группа);
- Элонгация (1 группа);
- Терминация (2 группа);
- Вопросы на логическое мышление.
- Регуляция белкового синтеза:
- Гипотеза Жакоба и Мано (3 группа);
- Механизм регуляции с помощью гистонов, регуляция на уровне транскрипции (2 группа);
- Универсальный гормональный тип регуляции, регуляция на уровне трансляции (1 группа).
- Решение задачи.
- Тестирование.
- Подведение итогов.
Ход урока
Учитель: Самым важным из всех синтетических процессов протекающих в клетке, является синтез белка. В обычных условиях клетка ежеминутно синтезирует несколько тысяч новых молекул белка. Белки лежат в основе всего живого. И мы в полной мере можем согласиться с высказыванием Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. Если когда ни будь, удастся составить химическим путем белковые тела, то они, несомненно, обнаружат явление жизни, и будут совершать обмен веществ, как бы слабы и недолговечны они ни были".
Открытие механизма белкового синтеза является одним из важнейших достижений биохимии. В этом заслуга ученых всего мира.
Сегодня мы с вами проведем семинарское занятие, где, мы обобщим знания о гене, о строении тРНК, о реакциях матричного синтеза и попытаемся смоделировать процесс биосинтеза белка, а также объяснить механизмы его регуляции.
На столах у вас лежат планы семинара, по ним мы и будем работать.
I. Экспресс-опрос (фронтальная работа с классом)
Перечень вопросов:
- Дайте определение метаболизму.
- Какие группы метаболических реакций вы знаете?
- Дайте характеристику анаболическим и катаболическим реакциям.
- Какие гипотезы репликации ДНК вы знаете? Дайте им характеристику.
- Кем и когда была доказана полуконсервативная гипотеза репликации ДНК?
- Назовите основные принципы репликации ДНК. Дайте им характеристику.
- В каком направлении проводят синтез все полимеразы нуклеиновых кислот?
- Что такое репликон?
- Что собой представляет репликативная вилка?
- Нужна ли затравка, чтобы ДНК-полимераза начал процесс репликации ДНК? Что является затравкой?
- Рестрикции - это:?
- Назовите противоположный процесс рестрикции.
- Сшивание - это:?
- Какие группы ферментов используются при сплайсинге?
- Что является хранителем генетической информации в клетке?
- Расскажите о строении хромосом.
- Когда была предложена классификация хромосом, на чем она основывается и как называется?
- Что собой представляют нуклеосомы?
- На одной иРНК запрограммирован синтез одного вида белка или разных?
- Может ли один вид тРНК транспортировать разные виды аминокислот?
- Чему соответствует информация одного гена молекулы ДНК?
- Чему соответствует триплет иРНК?
- Сколько аминокислот участвуют в биосинтезе белка?
- Что образуется на рибосоме в процессе биосинтеза белка?
II. Групповая работа по вопросам
Проблема: Почему расшифровка кода ДНК считается величайшим открытием в молекулярной биологии? Какое практическое значение имеет это открытие?
Учитель: Дайте определение генетическому коду?
Ученик: Генетический код - это зависимость между основаниями ДНК и аминокислотами белка.
Учитель: Перечислите постулаты генетического кода и расшифруйте их.
Ученик: Предположение о существовании генетического кода было высказано в 1954 году американским физиком Г. Гаммовым. В 1959 году генетический код был расшифрован американскими биохимиками М. Ниренбергом, С. Очоа и Х. Кораной. Постулаты генетического кода:
- Код триплетен.
- Код вырожден.
- Код однозначен.
- Код универсален
- Неперекрываемость кода.
- Наличие стартового кодона АУГ и терминирующих кодонов (стоп-кодоны), регулирующих трансляцию..
Учитель: Как расшифровали генетический код ДНК?
Доклад ученика: Титанический труд ученых США, Британии, Франции, Германии, Китая и Японии победоносно завершен. Составлен "рабочий эскиз" генофонда человека, т.е. получен ключ к пониманию того, как и из чего построен человеческий организм.
Человек сможет участвовать в конструировании собственного тела, видоизменять и совершенствовать его. Прежде всего, все запрограммированные в нас болезни можно будет прочесть. Врач сможет сказать своему пациенту, насколько он предрасположен к таким заболеваниям, как злокачественные опухоли, астма, болезни Паркинсона, и др. Наличие генной карты выявит группу риска еще до того, как проявятся первые признаки заболевания. Можно будет разработать соответствующие средства их блокировки (лекарственные препараты).
Уже в настоящее время становится возможным лечение рака, астмы, к 2050 году в силу способности манипулировать генами средняя продолжительность жизни, как ожидается, составит 95 лет. Джон Харрис, руководитель британской правительственной комиссии заявил: "Исследования, которые проводятся в настоящее время, в результате могут продлить человеческую жизнь на сколь угодно долгий срок, что может привести к созданию расы "бессмертных".
Как раскодировали ДНК?
1) ДНК разрезали на маленькие куски, используя инзим.
2) Эти куски были клонированы, для получения множества копий.
3) Клонированные фрагменты разместили по четырем различным растворам, каждый из которых распознавал конкретную генетическую букву. Светящаяся этикетка была использована для идентификации каждой буквы.
4) Фрагменты, отмеченные этикетками, погрузили в пробирки с гелем, для сортировки их по размерам. Они были пронизаны лазером, который распознавал этикетки, выстраивая генетические буквы по порядку, соответствующему данной части ДНК.
Любопытные факты из "жизни генов".
- Генетический код человека состоит из 3 миллиардов "букв".
- Если прочесть вслух все комбинации букв человеческого генофонда со скоростью одна буква в секунду, читая 24 часа в сутки, то для озвучивания потребуется 100 лет.
- Чтобы записать в буквенном выражении весь человеческий генофонд, потребовалось бы двести 500-страничных телефонных справочников.
- Если все ДНК человеческого тела соединить конец к концу, то цепочка протянется от Земли к Солнцу и обратно более 600 раз.
- Около 97% человеческих ДНК, по сути, являются ненужным "хламом" и, судя по всему нефункциональны.
Учитель: Что называют геном?
Ученик: Ген - это элементарная единица наследственности. Ген - это участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка первичной структуры. Гены эукариот состоят из регуляторных элементов, промотора и структурной части гена, несущей информацию о структуре белковой молекулы <Рисунок1>. При этом регуляторные элементы могут располагаться не только в непосредственной близости от промотора, но и находиться на значительном удалении от него. Такие элементы получили название энхансеров, усиливающих транскрипцию, или сайленсеров, ослабляющих ее. На 3' конце полинуклеотидной цепочки гена находится участок ДНК, называемый терминатором. Он определяет окончание транскрипции. Структурная область гена эукариот состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов: экзонов - участков ДНК, которые несут информацию о структуре белковой молекулы, и интронов - неинформативных участков ДНК. Гены эукариот не имеют оперонной организации [5].
Рисунок 1
Учитель: Какие реакции матричного синтеза вы знаете? Дайте им определения. Какова роль иРНК в процессе биосинтеза белка?
Ученик: Реакции матричного синтеза - это репликация, транскрипция, трансляция.
Транскрипция - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. Списывается информация не только об одном белке, но и о соседних. Образуется проРНК, предшественник иРНК, которая образует комплексы с белками и выходит в цитоплазму, где идет "дозревание" иРНК. С нее специальными ферментами вырезаются лишние участки - это процессинг. Сначала убираются крайние участки соседних белков, а затем интроны, а оставшиеся экзоны сшиваются ферментами - лигазами <Рисунок 2>. По длине и.РНК в сотни раз короче ДНК[2].
Рисунок 2
Учитель: Чему соответствует разнообразие тРНК?
Ученик: Количеству аминокислот.
Учитель: Каково строение тРНК?
Ученик: тРНК содержит 70-90 нуклеотидов. В тРНК имеется несколько комплементарных друг другу участков, которые слипаются за счет водородных связей <Рисунок3>. Получается определенная структура: крест или лист клевера (вторичная структура). К одному из кодонов (акцепторный участок) прикрепляется аминокислота, а противоположный конец (антикодон) несет информацию о триплете. Существует более 20 видов тРНК, т.к. одна аминокислота кодируется несколькими различными кодонами. Специальный фермент кодаза опознает тРНК и присоединяет к ней аминокислоту, которая кодируется триплетом иРНК. На связь тРНК и аминокислоты нужна энергия одной молекулы АТФ[7].
Рисунок 3
III Моделирование процесса
Учитель: Перед вами на доске закреплены: две субъединицы рибосомы, тРНК, аминокислоты, иРНК, фрагмент ядерной мембраны. Смоделируйте процесс биосинтеза белка.
1Ученик: Инициация: на первом этапе образуется ФЦР (функциональный центр рибосомы), состоящий из двух кодонов (6 нуклеотидов), мРНК и двух субъединиц рибосом. Сначала на мРНК садится только малая субъединица рибосомы. ФЦР имеет два участка: "А" - аминокислотный, где идет узнавание принесенной тРНК - аминокислоты. Присоединение аминокислоты к пептидной цепи идет в "П" - пептидном участке. Первая тРНК приносит аминокислоту в "П" участок. Работают факторы инициации, и строится большая субчастица рибосомы.
2Ученик: Элонгация: приходит вторая тРНК со второй аминокислотой и встраивается в "А" участок. Фермент большой субчастицы рибосомы пептидилтрансфераза перебрасывает аминокислоту 1 на аминокислоту 2 и способствует образованию между ними ковалентной пептидной связи. Рибосома с большой энергией ГТФ сдвигается на 1 шаг по мРНК, сдвиг идет по рамке на один триплет и система тРНК + белок оказывается в "П" участке, а "А" участок остается свободным и готов к приему тРНК с аминокислотой 3. Процесс идет до тех пор, пока информация с мРНК будет считана и переведена с трех буквенного языка нуклеиновых кислот в двадцати буквенный язык белков. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 102 минуты (1 шаг - 0,2 сек).
3Ученик: Терминация: когда рибосома достигает одного из бессмысленных триплетов, специальные факторы терминации узнают эти "стоп - сигналы" и происходит распад белок синтезируемой системы на составные части: белок, рибосому, мРНК.
Вопросы на логическое мышление
Почему биосинтез белка происходит в цитоплазме, а не в ядре, где находится необходимая для этого ДНК? Почему молекула ДНК не транспортируется из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка? Ведь в этом случае не нужна была бы молекула посредник - иРНК!
По одной молекуле иРНК, пришедшей из ядра клетки, друг за другом движется несколько рибосом. Одинаковый ли аминокислотный состав будут иметь в конечном итоге синтезируемые ими белковые молекулы? Одинаковой ли будет последовательность аминокислот в этих молекулах? Почему вы так думаете?
Рибосома закончила процесс сборки белковой молекулы в соответствии с информацией, заключенной в одной из молекул иРНК. Затем она начала синтез белка по новой иРНК, только что пришедшей в цитоплазму из ядра. Будет новая молекула белка такой же по составу, количеству и последовательности аминокислотных звеньев, как и предыдущая белковая молекула, только что синтезируемая данной рибосомой? Проанализируйте ситуацию и дайте обоснованный ответ. Достаточно ли данных в условии задачи, чтобы однозначно ответить на поставленный вопрос? Почему вы так думаете?
IV. Регуляция белкового синтеза
1 Ученик: В 1961 году Ф. Жакоб и Ж. Моно создали оперонную модель регуляции транскрипции. Классическим примером регуляции служит функционирование лактозного (1ас) оперона кишечной палочки.
При выращивании кишечной палочки на среде содержащей только глюкозу ген - регулятор лактозного оперона синтезирует активный белок - репрессор, который взаимодействуя с оператором, препятствует присоединению РНК - полимеразы к промотору и "выключает" транскрипцию структурных генов, контролирующих синтез ферментов, расщепляющих лактозу<Рисунок4а>.
При выращивании кишечной палочки на среде содержащей только лактозу, часть ее проникает внутрь клеток, инактивирует репрессор. В результате, РНК - полимераза соединяется с промотором и осуществляет транскрипцию мРНК для синтеза всех ферментов, расщепляющих лактозу <Рисунок4б> [5].
Рисунок 4
2 Ученик: Механизм регуляции с помощью гистонов. Молекула ДНК окружена белками гистонами и щелочными белками - ферментами. Гистоновые и негистоновые белки антагонисты. Гистоны препятствуют считыванию информации с ДНК, а негистоновые стимулируют синтез нуклеиновых кислот. И те, и другие очень древние. Если гистоны фосфорилируются, то белки изменяются, и открывается участок ДНК для считывания информации. Это самый быстрый способ регуляции синтеза белка.
Регуляция на уровне транскрипции - блокировка синтеза иРНК.
3 Ученик: Универсальный гормональный тип регуляции имеется у растений, животных, человека. Все гормоны действуют на генном уровне, они активизируют синтез иРНК. Используются для лечения различных заболеваний, но опасна передозировка. Эффекты могут быть непредсказуемы и вредны.
Регуляция на уровне трансляции.
- Если в организме не хватает тРНК, то синтез белка будет тормозиться.
- Внешние условия.
- Отсутствие витаминов.
V. Решение задачи
Учитель: Теперь переходим к практической части нашего занятия, где вы свои теоретические знания примените на практике.
Задача. Дан участок левой цепи ДНК: ЦЦТТГТГАТЦАТЦААА: Определите: а) первичную структуру белка по правой цепи ДНК; б) запишите тРНК; в) изменится ли белок при выпадении 9 нуклеотида в матричной цепи ДНК? г) какова длина ДНК? д) какова масса ДНК? е) сколько в % аденина в ДНК? ж) что тяжелее пептид или участок гена, несущий информацию об этом пептиде?
Ответ: а) про-цис-асп-гис-глу; б) ГГА,АЦА,ЦУА,ГУА,ГУУ; в) да, пр-цис-асп-иле-лиз; г) 5,44 нм; д) 9600 у.е.м.; е) 31.25 %; ж) ген тяжелее белка в 9,6 раз.
VI. Тестирование
- Какова функция ДНК в синтезе белка: а) самоудвоение; б) транскрипция; в) синтез тРНК и рРНК.
- Чему соответствует информация одного гена молекулы ДНК: а) белку; б) аминокислоте; в) гену.
- Сколько аминокислот участвует в биосинтезе белков: а)100; б) 30; в) 20.
- Что образуется на рибосоме в процессе биосинтеза белка: а) белок третичной структуры; б) белок вторичной структуры; в) полипептидная цепь.
- Роль матрицы в биосинтезе белка выполняет: а) иРНК; б) тРНК; в) ДНК; г) белок.
- Структурной функциональной единицей генетической информации является: а) нить ДНК; б) участок молекулы ДНК; в) молекула ДНК; г) ген.
- иРНК в процессе биосинтеза белка: а) ускоряет реакции биосинтеза; б) хранит генетическую информацию; в) передает генетическую информацию; г) является местом синтеза белка.
- Генетический код - это последовательность: а) нуклеотидов в рРНК; б) нуклеотидов в иРНК; в) аминокислот в белке; г) нуклеотидов в ДНК.
- Аминокислота присоединяется к тРНК: а) к любому кодону; б) к антикодону; в) к кодону в основании молекулы.
- Синтез белка происходит в: а) ядре; б) цитоплазме; в) на рибосомах; г) митохондриях.
- Трансляция - это процесс: а) транспорта иРНК к рибосомам; б) транспорта АТФ к рибосомам; в) транспорта аминокислот к рибосомам; г) соединение аминокислот в цепь.
- К реакциям пластического обмена в клетке относятся: а) репликация ДНК и биосинтез белка; б) фотосинтез, хемосинтез, гликолиз; в) фотосинтез и биосинтез; г) биосинтез, репликация ДНК, гликолиз.
- В функциональный центр рибосомы при трансляции всегда находится число нуклеотидов равное: а) 2; б) 3; в) 6; г) 9.
- Транскрипция и трансляция в эукариотической клетке происходит: а) только в ядре; б) в ядре и цитоплазме; в) в цитоплазме.
- В реакциях биосинтеза белка в клетке энергия АТФ: а) выделяется; б) расходуется; в) не расходуется и не выделяется; г) на одних этапах расходуется, на других выделяется.
- Количество сочетаний триплетов генетического кода, не кодирующих ни одной аминокислоты, составляет: а) 1; б) 3; в) 4.
- Последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК строго комплементарна: а) последовательности триплетов гена; б) триплету, кодирующему аминокислоту; в) кодонам, содержащим информацию о структуре гена; г) кодонам, содержащим информацию о структуре белка.
- Клетки, принадлежащие одному организму, производят разные белки так как: а) эти клетки имеют разную ДНК; б) по разному происходит биосинтез белка; в) синтезируют разные иРНК.
- Где формируются сложные структуры молекул белка: а) на рибосоме; б) в цитоплазме; в) в эндоплазматической сети.
- Какие компоненты составляют тело рибосомы: а) мембраны; б) белки; в) углеводы; г) РНК.
VI. Подведение итогов
Учитель: В каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации. Кроме того, даже специфические для данной клетки белки не образуются в ней все одновременно. В разное время в зависимости от нужд клетки в ней синтезируются разные белки. Имеется сложный механизм, регулирующий "включение" и "выключение" генов на разных этапах жизни клетки.
Литература
- Биология: Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся /Д.и. Трайтак, В.А.Карьентов, Е.Т.Бровкина и др.; Под ред. Трайтака. - 3 изд. Перераб. - М.: Просвещение, 1994.
- Грин н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: в 3 -х т. Перераб. С англ. /Под.ред. Р.Сопера. - М.: Мир, 1993.
- Кулев А.В. Общая биология. 11 класс: Метод. Пособие. - СПб.: "Паритет", 2001г.
- Общая биология: Учеб. Для 10 - 11 кл. шк. с углубл. изуч. биологии /Под ред. А.О.Рувинского. - М.: Просвещение, 1993г.
- Общая биология. Пособие для поступающих в ВУЗы. Под ред. Проф. А. Ф. Никитина. - Спб., ВМедА, 2004.
- Теремов А.В. Тестовые задания для проверки знаний учащихся по общей биологии - М.: ТЦ "Сфера", 1999.
- Чебышев Н.В., Гузикова Г.С., Лазарева Ю.Б., Ларина С.Н. Биология. Новейший справочник. - М.: Махаон, 2007.