Реализация наследственной информации в клетке. Генетический код. Транскрипция

Цели: углубить знания о метаболизме клеток путем изучения реализации наследственной информации в процессе биосинтеза белка; продолжить формирование знаний о хранении информации о белках в ДНК; познакомить с понятием “генетический код” и основными его свойствами с позиций единства происхождения всех живых организмов Земли; рассмотреть особенности транскрипции у эукариот как одного из этапов биосинтеза белка.

Оборудование: таблицы по общей биологии “Генетический код”, “Биосинтез белка”, “Уровни организации белка”; дидактический материал для проведения групповой работы; модуль “Молекула ДНК”; алфавит русского языка.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

Индивидуальная работа по карточкам (См. приложение 2). Остальные учащиеся работают с кроссвордом “Фотосинтез” (см. приложение 4).

Ответы на кроссворд:

По вертикали: 1. Хлоропласты; 2. Хромопласты; 4. Тимирязев; 5. Лейкопласты; 9. Фитомасса; 10. Ботаника; 11. Антенна; 12. Каротины; 13. Редуценты; 15. Метаболизм; 16. Фототропизм; 18. Физиология; 20. Фотон; 23. Микрон; 24. Призма.

По горизонтали: 3. Хроматофор; 6. Биогеоценотический; 7. Крахмал; 8. Сахароза: 14. Кальвин; 17. Растения; 19. Автотрофы; 21. Фотосинтез; 22. Пластиды; 25. Пигмент; 26. Метаморфоз.

III. Актуализация опорных знаний по теме “Белки”

Учитель предлагает учащимся определить объект изучения.

Учащиеся. Это все белки!

Учитель. Правильно. Что такое белки? Какое строение они имеют? Попробуйте отразить особенности строения белков на листе бумаги. (На выполнение задания отводится 2 минуты.)

Ученик 1 демонстрирует рисунки и отмечает, что белки - это биополимеры, имеющие сложную организацию молекулы. Первичная структура белка определяется последовательностью аминокислот в цепи, соединенных между собой с помощью пептидных связей.

Ученик 2. Вторичная структура белка представлена в виде спирали, удерживаемой водородными связями.

Ученик 3. Третичная структура - это укладка спирализированной молекулы белка в более сложную конфигурацию, напоминающую клубок, или глобулу. В ее образовании участвуют многочисленные водородные, ионные, дисульфидные связи и другие взаимодействия.

Учитель открывает таблицу “Уровни организации белка”, анализирует ответы и делает дополнения.

Комментарии учителя. Для осуществления некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким уровнем организации. Такую организацию называют четвертичной структурой. Она представляет собой функциональное объединение нескольких молекул белка, обладающих третичной структурной организацией. В состав этой структуры помимо белковых субъединиц включаются и разнообразные небелковые компоненты.

Строение белков определяет их свойства и функции. Вспомните, какие функции выполняют белки, упомянутые нами в начале урока.

Предполагаемые ответы учащихся.

Пероксидаза — фермент, разрушающий пероксид водорода до воды и кислорода.

Гемоглобин — транспортный белок, входящий в состав эритроцитов крови и способствующий переносу кислорода.

Инсулин — гормон поджелудочной железы, регулирующий уровень сахара в крови.

y-глобулин — белок плазмы крови, участвующий в иммунных реакциях организма. Это белок из группы антител, которые связываются с антигенами.

Гистоны, мегопротеины — белки, выполняющие строительную функцию. (Липопротеины участвуют в образовании клеточных мембран; гистоны — компоненты белковой обертки хромосом.)

Миозин, актин — специальные сократительные белки, обеспечивающие сокращение и расслабление мышц при движении.

На доске (удобно на магнитной) учитель выстраивает схему:

— Исходя из перечисленных функций белков становится понятной та роль, которую они играют в жизнедеятельности клетки и организма в целом.

— В каждой клетке синтезируются несколько тысяч различных белковых молекул. Белки недолговечны, время их существования ограничено, после чего они разрушаются.

IV. Постановка проблемы

— Что позволяет постоянно пополнять уровень белков в организме без ухудшения их свойств?

На этом этапе урока организуется работа в группах. Одна группа получает задание № 1.

Какая связь существует между перечисленными понятиями:

Биосинтез

Ферменты

Пластический обмен

Энергетический обмен

Диссимиляция

Энергия

Обмен веществ.

Выразите связь между этими понятиями в виде опорной схемы и составьте рассказ.

Остальные группы получают задание № 2.

Сопоставьте три факта:

1. Молекулы белков (например, гемоглобина) в клетке расщепляются, разрушаются (диссимиляция) и заменяются новыми молекулами того же белка.

2. Молекулы белка не обладают свойствами редупликации, как нуклеиновые кислоты, поэтому из одной молекулы белка не могут создаваться две, как это происходит с ДНК.

3. Несмотря на это, вновь синтезируемые в клетке тысячи молекул одного вида белка являются точными копиями разрушенных (по структуре, свойствам и функциям).

Как, по вашему мнению, происходит синтез большого количества одинаковых молекул одного и того же белка, хотя редупликацией белок не обладает?

После работы в группах (3—4 минуты) учащиеся по первому заданию предлагают свой вариант схемы и ее объяснение.

Предполагаемый ответ:

В клетках непрерывно идут процессы биологического синтеза. С помощью ферментов из простых низкомолекулярных веществ образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов — сложные углеводы, из азотистых оснований и сахаров — нуклеотиды, а из них — нуклеиновые кислоты. Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция — совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биологического синтеза.

— Все процессы обмена веществ в клетке и целом организме протекают под контролем наследственного аппарата. Рассмотрим один из важнейших процессов реализации наследственной информации в ходе пластического обмена - биосинтез белков.

V. Изучение новой темы

Учитель записывает на доске тему урока и дает слово учащимся из групп, работавших над заданием № 2.

Предполагаемый ответ. Синтезируемые в клетке тысячи молекул одного вида белка являются точными копиями разрушенных (по структуре, свойствам и функциям).

Известно, что они не могут создаваться путем редупликации, как это происходит с ДНК. Но синтез большого числа одинаковых молекул возможен, так как молекулы ДНК являются носителями наследственной информации, то есть в них записана информация о всех белках клетки и организма в целом.

— Да, в организме (клетке) существует единая белоксинтезирующая система. В нее входит система нуклеиновых кислот, состоящая из ДНК и РНК, рибосомы и ферменты. Причем информация о белках, заключенная в молекулах ДНК, вначале переносится на u-РНК, которая затем программирует синтез белков клетки.

Учитель записывает на доске:

Комментарии учителя. Это основное положение молекулярной биологии было сформировано в начале 50-х годов XX века английским ученым Ф. Криком. Что означает данная формула?

Молекула ДНК является матрицей, или основой (шаблоном, формой) для синтеза большого количества u-РНК (при этом структура ДНК не меняется), которые в свою очередь являются матрицей или основой для построения множества белковых молекул.

Участок молекулы ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называется геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов, поэтому информацию ДНК называют генетической. В геноме человека около 50 тысяч генов, которые находятся в 23 хромосомах. Таким образом, ген — это единица наследственной информации.

Первый этап переноса генетической информации с ДНК в клетку заключается в том, что генетическая информация в виде последовательности нуклеотидов ДНК переводится в последовательность нуклеотидов u-РНК. Этот процесс получил название транскрипции (лат. “transcriptio” — переписывание). Транскрипция, или биосинтез u-РНК на исходной ДНК, осуществляется в ядре клетки ферментативным путем по принципу комплиментарности.

По длине каждая из молекул ц-РНК в сотни раз короче ДНК, так как u-РНК снимает копию не всей молекулы ДНК, а только одного гена или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции.

Специальный фермент РНК-полимераза присоединяется к определенной последовательности нуклеотидов ДНК — гену-промотору, который необходим для того, чтобы синтез и РНК был начат строго в начале гена.

Двигаясь по цепи ДНК вдоль необходимого гена, РНК-полимераза подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в цепочку в виде молекулы u-РНК. В конце гена или группы генов фермент встречает сигнал (также в виде определенной последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания. Готовая u-РНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белка.

Но снова возникает вопрос: каким образом генетическая информация u-РНК, заключенная в последовательности расположения

нуклеотидов, определяет порядок расположения аминокислот в белке (то есть определяет первичную организацию белковой молекулы)?

В ходе беседы по поставленному вопросу учитель подводит учащихся к выводу, что перевод одной формы информации в другую возможен при помощи шифра или кода.

— Перевод генетической информации с “языка” нуклеотидов на “язык” аминокислот осуществляется с помощью генетического кода. Генетический код — это система расположения нуклеотидов в ДНК, обуславливающая соответствующую последовательность расположения аминокислот в белке.

— Но нуклеиновые кислоты образованы чередованием нуклеотидов всего четырех типов, а белки построены из 20 аминокислот. Что же лежит в основе соответствия между основаниями нуклеиновых кислот и аминокислотами белков?

— Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, предлагаю вам выполнить следующее задание.

— Перед вами алфавит русского языка. Попробуйте зашифровать все его буквы, используя для этого лишь 4 цифры — 0, 1,2,3.

В ходе выполнения задания учащиеся приходят к выводу, что поставленную задачу можно решить, если для каждой буквы использовать комбинации из трех цифр.

— Выполняя это задание, вы убедились в том, что для кодирования 20 аминокислот необходимы группы по меньшей мере из трех нуклеотидов. В этом случае возможны 64 различные комбинации, что гораздо больше чем число реально встречающихся 20 аминокислот. Подобная группа из 3 нуклеотидов, несущая информацию об одной аминокислоте в молекуле белка, называется триплетом (кодоном). Понятно, что ген содержит столько кодонов, сколько аминокислот входит в состав синтезируемого белка.

— Код однозначен, то есть кодон соответствует лишь одной аминокислоте.

— Из 64 кодовых триплетов — 61 кодон — кодирующие (то есть кодируют аминокислоты), а 3 — бессмысленные (то есть не кодируют аминокислоты). Это специальные триплеты (УАА, УАГ, УГА) обозначают прекращение синтеза полипептидной цепи, то есть выполняют функцию знаков препинания. Эти триплеты обычно расположены в конце каждого гена.

— Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). Исключением являются две аминокислоты — литионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом.

— Генетический код является универсальным, то есть одинаковым для всех живущих на Земле живых организмов. Одни и те же аминокислоты кодируются одинаковыми триплетами.

Дополнительный материал

На самом деле процесс транскрипции гораздо сложнее. В хромосомах человека, например, от 50 тысяч до 100 тысяч генов, на которые приходится только 5—10% ДНК. Остальная часть ДНК белков не кодирует и выполняет скорее всего регуляторную функцию, то есть руководит генами. Практически каждый ген имеет последовательности нуклеотидов, обозначающие его начало и конец, регулирующий его считывание участок. Сами гены не обязательно представляют собой непрерывные последовательности нуклеотидов. Обычно они разбиты на несколько участков, расположенных в разных частях молекулы ДНК. Изначально синтезируется комплиментарная РНК длиной во весь ген — проматричная РНК, которая вступает в процесс созревания, вследствие чего образуется матричная РНК (u-РНК). Созревание состоит из процессинга, во время которого происходит вырезание ненужных участков, и сплайсинга, где смешиваются кодирующие белок последовательности кодонов. Так образуется зрелая u-РНК. Кодирующие последовательности прерывистых ионов называются экзонами, а вставочные последовательности — нитронами. Таким образом, матричная РНК короче проматричной, так как в ее состав входят только экзоны.

VI. Закрепление

1. Решение биологических задач.

Задача № 1

Участок гена имеет такую последовательность нуклеотидов:

ТТТ - ТАЦ - АЦА - ТГТ - ЦАТ.

Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и последовательность аминокислот в белковой молекуле, которая синтезируется под контролем этого гена.

Задача № 2

Какую последовательность нуклеотидов имеет молекула u-РНК, которая синтезируется на участке гена с такой последовательностью нуклеотидов?

Задача № 3

Какую длину имеет ген, кодирующий инсулин, если известно, что молекула инсулина имеет 51 аминокислоту, а расстояние между нуклеотидами в ДНК составляет 0,34 нм?

Решение:

Ген — участок ДНК, несущий информацию об инсулине. Одну аминокислоту кодирует 1 кодон, состоящий из 3 нуклеотидов ДНК.

1) Определим количество нуклеотидов ДНК, кодирующих инсулин:

51 • 3 = 153 (нуклеотида).

2) Рассчитаем длину этого гена:

0,34 •153 = 52,02 (нм).

(Ответ: длина гена равна 52,02 нм.)

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского, §2.13. с. 70—73, до сг. “Транспортные РНК”; учебник И.Н. Пономаревой, § 10, с. 32—33, до слов “Образовавшаяся u-РНК выходит из ядра...”.