Как реализуется генетическая информация
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Конспект на интерактивный видео-урок
по предмету «Естествознание» для «10» класса
Урок 35. Как реализуется генетическая информация
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Как происходит синтез белка. Научно-познавательный журнал «Познавайка» // Электронный доступ: http://www.poznavayka.org/himiya/kak-proishodit-sintez-belka/
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Как мы убедились в предыдущих уроках, химические свойства различных веществ вытекают из особенности их строения. Для живых организмов такая связь оказывается более сложной. В принципе, все признаки того или иного организма формируются с использованием фермент-катализируемых реакций. Все ферменты представляют собой белки, состоящие из 20 различных блоков аминокислот. Структура и биологическая функция белка зависят от аминокислотной последовательности. Другими словами сходство и различия между различными живыми организмами связано с уникальным набором белков. Информация об этом наборе передаётся от родителей к потомству. Материальным носителем этой наследственной информации является ДНК. Механизм преобразования информации ДНК в белки определило появления жизни как феномена.
В 50-х годах 20 века было высказано предположение о том, что последовательность нуклеотидов ДНК каким-то образом хранит информацию о необходимых организму белках. Позднее отечественным учёным Г. А. Гамовым была предложена идея о том, что каждую аминокислоту кодирует не один нуклеотид, а три. Таким образом, появляется достаточное количество комбинаций (4 3 =64) чтобы закодировать все аминокислоты. Эти троичные комбинации назвали триплетами или кодонами. К 70м годам прошлого века была установлена связь между всеми комбинациями нуклеотидов и аминокислотами – на сегодняшний день генетический код считается полностью разгаданным. Известно, что 61 кодон шифрует аминокислоты, 3 кодона выполняют роль сигнала окончания информации о белке (стоп-кодоны). При этом каждая аминокислота имеет несколько тройных комбинаций (триплетов) в шифре ДНК – генетический код, поэтому считается вырожденным. Удивительным является и то, что одинаковые комбинации нуклеотидов у разных групп организмов кодируют одинаковые аминокислоты, поэтому говорят, что генетический код универсален.
Аксиомы молекулярной биологии
Информация об одном белке занимает определённую часть цепочки ДНК, такие участки называют генами. Напомним, что ДНК и белки это совершенно различные соединения. Мономерами ДНК выступают 4 нуклеотида, а звеньями цепочек белков – аминокислоты. При этом ДНК никогда не покидает ядро, а местом синтеза белка являются рибосомы.
Таким образом, для реализации генетической информации, ДНК в ядре работает совместно с рибосомами в цитоплазме. Уже в 1953 году Ф. Крик установил, что поток информации из ДНК в рибосомы происходит через РНК, это выступает центральной догмой молекулярной биологии. Рибонуклеиновая кислота ( РНК ), которая встречается как в ядре, так и в цитоплазме, берет на себя роль передатчика генетической информации в белки.
Существует два процесса:
Транскрипция – переписывание генов ДНК в копию гена м-РНК (матричная РНК)
Трансляция – синтез белка, основанный на информации копии гена м-РНК
Транскрипция является первым шагом в биосинтезе белка на пути от гена к белку. Если в клетке требуется белок, сначала считывается соответствующий участок ДНК (ген) в ядре клетки и делается копия с него. Этот процесс получил название транскрипция. Механизм процесса, аналогичный самодублированию ДНК. Однако считывается только небольшая часть последовательности ДНК. Поэтому молекулы РНК намного короче, чем двойная спираль ДНК. Транскрипция катализируется ферментом РНК-полимеразой. Он распознает знаки начала и конца гена на нити ДНК на основе определённых последовательностей оснований.
Под действием специальных ферментов участок молекулы ДНК с необходимым геном раскручивается, связи между цепочками разрываются. Далее на одной из цепочек начинается процесс сборки молекулы РНК по принципу комплементарности. Напомним, что особенностью молекулы РНК является замена в нуклеотидной последовательности Тиминового нуклеотида на Урациловый. Такой механизм обеспечивает безошибочное переписывание участка молекулы ДНК. Эта копия, называемая м-РНК (матричная или информационная), которая затем мигрирует из ядра в цитоплазму к рибосомам.
Полученная м-РНК, таким образом, кодирует в виде своей специфической нуклеотидной последовательности инструкцию синтеза аминокислотной последовательности образующегося белка.
Трансляция. Нуклеотидная последовательность молекулы м-РНК определяет аминокислотную последовательность полипептида. Перевод «языка» нуклеиновой кислоты на белковый «язык» гарантируется трансляцией рибосомами.
Рибосомы представляют собой сложный комплекс из белков и р-РНК. Рибосомы в цитоплазме нанизываются как бусины на цепочку м-РНК. Как только рибосома достигает стартового кодона – начинается синтез белка. По принципу комплементарности т-РНК распознает соответствующий кодон м-РНК, затем рядом с ней становится следующая молекула т-РНК. Принесённые ими аминокислоты связываются специальным ферментом, и рибосома передвигается скачком на следующий кодон. Такой процесс многократно продолжается, пока не будет достигнут один из стоп-кодонов. Рибосома распадается на две субъединицы и готова для следующего синтеза. Ещё до завершения пептидного синтеза, цепи начинают сворачиваться во вторичную и третичную структуру. Это приводит к образованию белковых молекул с определённой биологической функцией.
Этот процесс может быть многократно повторен, и клетка может для себя воспроизвести необходимый белок в нужное время. Благодаря этим механизмам обеспечивается управление регулирование биохимическими процессами в клетке, её обновление и самовоспроизведение.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Выберите один ответ.
Какой из следующих кодонов не может являться частью м-РНК?
Пояснение: В молекулах РНК отсутствуют Тиминовые основания, они заменены Урацильными
2. Найдите ошибку (ошибки) и вычеркните их.
«К свойствам генетического кода относят: однозначность, вырожденность, комплементарность, неадекватность и универсальность.»
Ответ: «К свойствам генетического кода относят: однозначность, вырожденность, комплементарность, неадекватность и универсальность».
§ 51. Как реализуется генетическая информация
Можно объясниться с теми, кто говорит
на другом языке, но не с теми, кто в те
же слова вкладывает совсем другой смысл.
Ж. Ростан
Что представляет собой генетический код? Как информация о белке считывается с ДНК? Как эта информация транслируется в виде последовательности аминокислот в белке?
Урок-лекция
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ. Вы уже рассмотрели много примеров того, как состав химических соединений отражается на их свойствах. Взаимозависимость состава и свойств в биологических системах значительно сложнее. Речь идет о кодировании в структуре участка молекулы ДНК сведений о совершенно другом веществе — белке, который обладает своими собственными свойствами, определяемыми его структурой, и выполняет определенную функцию. Собственно, механизм такого преобразования информации, заключенной в структуре ДНК, в структуру и свойства белка и является фундаментальным свойством живого, определившим появление в природе такого феномена, как жизнь (§ 29-30, 79).
НЕТИЧЕСКИЙ КОД. Со времени открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения ДНК ученые стали искать ключ к тому шифру, с помощью которого на молекуле ДНК записана информация о белке. Вспомним, что в белковом «алфавите» 20 «букв»-аминокислот, а «букв»-нуклеотидов в составе ДНК всего четыре. Если каждый нуклеотид соответствовал бы только одной аминокислоте, то 16 аминокислот не имели бы шанса попасть в белок. Если бы «слова» генетического кода состояли из двух «букв»-нуклеотидов, то число возможных комбинаций увеличилось бы до 16, что тоже недостаточно. А вот сочетание по три (триплет) из четырех «букв»-нуклеотидов дает 64 комбинации, которых хватает с избытком. Экспериментально установлено, что генетический код действительно читается группами по три нуклеотида, т. е. код триплетен. Каждый триплет кодирует одну аминокислоту и называется кодоном.
ТРАНСКРИПЦИЯ. Участки ДНК, кодирующие последовательность аминокислот в молекуле белка, получили название структурных генов. Началом реализации записанной на них информации служит создание РНК-копии структурного гена — транскрипция (переписывание) (рис. 58).
Рис. 58. Схема транскрипции
Важная роль в процессе транскрипции принадлежит ферменту РНК-полимеразе. Он распознает начало структурного гена, присоединяется к нему и тем самым провоцирует раскручивание витка спирали ДНК. При этом обнажается участок одноцепочечной ДНК, который должен послужить матрицей для создания на нем РНК-копии. Процесс этот протекает в строгом соответствии с принципом комплементарности и сходен с образованием новой цепи ДНК в ходе репликации (§30-31). РНК-полимераза перемещается по матричной цепи ДНК и постепенно наращивает комплементарную ей цепь РНК. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды к растущей цепи РНК, пока не дойдет до конца гена. Достигнув этой точки, РНК-полимераза сходит с цепи ДНК, а затем от нее отсоединяется и образовавшаяся РНК-копия, называемая информационной или матричной (мРНК). Вслед за этим цепочки ДНК расплетенного участка соединяются вновь и восстанавливают форму двойной спирали. Транскрипция завершена, мРНК поступает через ядерные поры в цитоплазму.
ТРАНСЛЯЦИЯ. В ходе трансляции записанная на мРНК в виде последовательности нуклеотидных оснований информация преобразуется в последовательность аминокислот. Процесс этот протекает на рибосомах, и для его успешной реализации необходим еще один тип РНК — короткие транспортные РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК имеет определенную пространственную конфигурацию, несколько напоминающую листок клевера (рис. 59).
Рис. 59. Молекула тРНК
В центре молекулы (на верхушке среднего «листка клевера») располагается триплет — антикодон, способный спариваться с комплементарным ему триплетом (кодоном) мРНК. Триплет на конце тРНК может образовывать ковалентную связь со специфической аминокислотой. В клетке существуют тРНК с разными антикодонами, соответственно, способные связываться с каждой из 20 аминокислот, необходимых для синтеза белка.
Сама рибосома представляет собой сложную биохимическую систему, предназначенную для синтеза белка в соответствии с инструкциями, записанными в структуре мРНК. Сначала рибосома связывается с мРНК, а вслед за этим к комплексу мРНК-рибосома присоединяется несущая аминокислоту тРНК, антикодон которой комплементарен первому кодону мРНК (рис. 60, а). Затем рядом с первой гРНК присоединяется вторая с антикодоном, комплементарным второму кодону мРНК, и т. д. Специальный фермент связывает между собой две аминокислоты, доставленные этими двумя тРНК, которые пока еще остаются присоединенными к комплексу. После этого первая тРНК покидает рибосому, чтобы присоединить новую молекулу соответствующей ей аминокислоты. Тем временем рибосома продвигается вдоль мРНК и вторая тРНК с присоединенной к ней аминокислотой занимает место первой. Все это повторяется многократно до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона на мРНК, которым заканчивается любой структурный ген. Достигнув его, рибосома и вновь синтезированный белок отсоединяются от мРНК и переходят в цитоплазму клетки.
Рис. 60. Биосинтез белка (а) и схема строения полисомы (б)
К одной молекуле мРНК прикрепляется обычно много рибосом, которые, продвигаясь вдоль нее, транслируют кодон за кодоном новые молекулы белка (рис. 60, б). Такая структура получила название полисома. Рибосомы работают очень эффективно: за 1 с в организме человека синтезируется 5х10 14 молекул гемоглобина — белка с уникальной последовательностью из 574 аминокислот.
Процесс биосинтеза белка — один из самых энергоемких в реакциях пластического обмена клетки. На образование одной пептидной связи в синтезируемом белке расходуется четыре молекулы АТФ — две при присоединении аминокислоты к тРНК и две непосредственно на рибосоме.
УРОК 51. КАК РЕАЛИЗУЕТСЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (Лекция)
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
УРОК 51. КАК РЕАЛИЗУЕТСЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Цель урока: обобщить и закрепить знания учащихся о механизмах реализации генетической информации.
Планируемые результаты обучения
Личностны е: учащиеся осознают, что появление в природе та- кого феномена, как жизнь, обусловлено фундаментальным свойством живого — преобразованием информации, заключённой в структуре ДНК, в структуру и свойства белка.
регулятивные учебные действия — учащиеся умеют работать с опорным конспектом;
познавательные учебные действия — учащиеся умеют: анализиро- вать характеристики генетического кода, последовательности опера- ций в процессах транскрипции и трансляции, особенности строения рибосом в связи с функцией биосинтеза белка; синтезировать знания для характеристики процессов транскрипции и трансляции; сравни- вать строение ДНК, тРНК, мРНК, выделяя сходство и различия; устанавливать причинно-следственные связи между особенностями строения молекул нуклеиновых кислот и выполняемой ими функции по трансформации информации; видеть и формулировать проблему, следующую из установленного противоречия — нахождения источ- ника информации ДНК в ядре эукариот и реализации этой инфор- мации в рибосомах, находящихся в цитоплазме клетки; предлагать пути её решения;
коммуникативные учебные действия — учащиеся умеют продук- тивно общаться и взаимодействовать с учителем на основе диалога по теме лекции.
Предметны е: учащиеся осваивают понятия «биосинтез белка»,
«генетический код», «кодон», «структурный ген», «нуклеотид»,
«триплет», «антикодон», «транскрипция», «трансляция», «тРНК»,
«мРНК», «рибосома»; осмысливают механизм передачи генетической информации по цепочке ДНК — мРНК — белок; понимают необхо- димость и достаточность триплетности генетического кода, сущность
принципа соответствия нуклеотидов кодона мРНК и антикодона тРНК.
Оборудование: портреты Дж. Уотсона и Ф. Крика; карточки с ри- сунками: дачный участок, деньги, портреты архитектора, проекти- ровщика и строителей, машина, план дома (рабочий + окончатель- ный).
Предполагаемый ход урока
Опрос (предлагается несколько вариантов):
— по вопросам предыдущего параграфа;
II. Изучение нового материала
Урок можно начать с вопроса «Чем обусловлено многообразие жи- вых организмов?». В ходе беседы с классом учитель акцентирует внимание учащихся на взаимосвязи многообразия видов со структу- рой белковых молекул, строение которых закодировано в структуре ДНК, т. е. преобразовании структуры в свойство живого. Затем уче- никам предлагается вспомнить понятия «ген», «геном», «нуклеино- вые кислоты». Далее формируется понятие «генетический код». Уча- щиеся записывают характеристики генетического кода в тетрадь.
Следующий вопрос к классу «Каким способом происходит синтез белковых молекул по записи генетического кода?».
Учащимся предлагается составить список необходимых компонен- тов для постройки коттеджа (дачного домика). Школьники называют компоненты, а учитель на доске прикрепляет рисунки с их изобра- жениями: дачный участок, строители, деньги, архитектор, проекти- ровщик, машина, план дома 1 (рабочий) и план дома 2 (окончатель- ный). Далее предлагается лекция по теме «Биосинтез белка» на основе аналогии со строительством дома:
дачный участок — цитоплазма, ЭПС; строители — рибосомы;
деньги — АТФ; архитектор — ДНК;
проектировщик — РНК-полимераза; транспорт (машина) — тРНК;
план дома 1 — незрелая РНК; план дома 2 — зрелая РНК.
Процесс биосинтеза состоит из двух этапов — транскрипция (ра- бота с архитектором и проектировщиком) и трансляция (работа со строителями). В результате — реализация идей, мыслей, плана в
виде других компонентов — появление отдельных структур коттеджа и коттеджа в целом.
В процессе лекции учитель составляет схему биосинтеза на доске, ученики переносят её в тетрадь. Записывается вывод.
Далее учащиеся под руководством учителя решают следующую задачу.
Известна последовательность нуклеотидов в одной из цепей ДНК:
Составьте по этой последовательности мРНК.
III. Закрепление изученного материала
1. Обсуждение итогов лекции.
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Биология. 10 класс
Генетическая информация в клетке
Хранение, передача и реализация наследственной информации в клетке. Ген. Геном. Реакции матричного синтеза
Необходимо запомнить
На Земле живёт около 7 млрд людей. Если не считать 25–30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные: каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.
Такие различия объясняются различиями в генотипах – наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках – следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.
Это не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода, который универсален для всех организмов. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д. Аминокислот, входящих в состав белков – 20, а возможностей для комбинаций четырёх нуклеотидов в группы по три – 64, поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.
ДНК непосредственно не принимает участия в биосинтезе белка. Информация с ДНК сначала копируется на иРНК (транскрипция), а затем на рибосомах переводится в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемого белка (процесс трансляции).
В состав и-РНК входят нуклеотиды АЦГУ, триплеты которых называются кодонами: кодоны иРНК комплементарны триплетам ДНК: триплет на ДНК ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ станет триплетом УУЦ.
Таким образом, генетический код – единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырёх букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т (У), Г, Ц.
Основные свойства генетического кода:
1. Генетический код триплетён. Триплет (кодон) – последовательность трёх нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом. Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трём. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64).
2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов – 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции: в молекуле иРНК триплеты УАА, УАГ, УГА – являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (начала) синтеза.
3. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности: каждому кодону соответствует только одна определённая аминокислота.
4. Код коллинеарен, т. е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.
5. Генетический код неперекрываем. Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания кодонов (триплетов).
6. Генетический код универсален, т. е. одинаковые для всех живых организмов вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
7. Генетический код содержит «знаки препинания» – стоп-кодоны. Начавшись на определённом кодоне, считывание идёт непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов).
Естествознание. 10 класс
Генетический код
Как реализуется генетическая информация
Необходимо запомнить
Сходство и различия между различными живыми организмами связано с уникальным набором белков. Информация об этом наборе передаётся от родителей к потомству. Материальным носителем наследственной информации является ДНК.
В молекулах ДНК закодировано расположение аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов – генетического кода.
Реализация генетической информации идёт по цепочке ДНК – м-РНК – белок в два этапа: трансляция и транскрипция.
Универсальность генетического кода и схожесть процессов реализации генетической информации подтверждают единство живой природы. Благодаря механизму преобразования информации ДНК в белок обеспечивается управление регулирование биохимическими процессами в клетке, её обновление и самовоспроизведение.
Реализация генетической информации
Генетическая информация клеток
Клетки многоклеточного организма развиваются из одной клетки (зиготы). Следовательно, во всех клетках данного организма заложена одинаковая генетическая информация. Однако клетки организма различаются по функциям и вешнему виду, т.е. отличаются набором ферментов и других белков.
Это связано с тем, что в разных клетках активируются разные участки ДНК, т.е. образуются разные м-РНК, по которым и синтезируются разные белки.
Таким образом, в каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации. Кроме того, специфичные для данной клетки белки не образуются в ней одновременно. В разное время и зависимости от нужд клетки в ней синтезируются разные белки. Клетка обладает сложным механизмом «включения» и «выключения» генов на разных этапах жизни клетки.
Разнообразие форм и функций клеток разных органов зависит от сложного взаимодействия различных генов между собой и с многочисленными веществами, поступающими извне или образующимися внутри клетки.