Модель-аппликация Биосинтез белка

1. Назначение пособия

Пособие предназначено для использования в качестве демонстрационного материала в средней общеобразовательной школе в курсе общей биологии на уроках по цитологии. Модель предназначена для рассмотрения процесса биосинтеза белка в динамике.

2. Устройство пособия

Пособие включает в себя 29 карточек с изображениями рибосомы и молекул, принимающих участие в биосинтезе белка, а также 16 таблиц генетического кода, используемых учителем и учащимися в ходе работы с моделью.

Комплектация

• Карточка с изображением рибосомы – 1 шт. (№ А9)
• Карточки с изображением участков молекулы ДНК – 4 шт. (№ А1-А4)
• Карточки с изображениями участков молекулы и-РНК – 4шт. (№ А5-А8)
• Карточки с изображением т-РНК – 6 шт. (№ А10-А15)
• Карточки с изображением аминокислот – 11 шт. (№ А16-А21)
• Таблица генетического кода – 16 шт.
• Схема сборки модели

   

  3. Методика работы с моделью

• Прикрепить к доске карточки, изображающие ДНК. Модель ДНК можно собирать в разной последовательности 1-2-3-4, или, например 3-1-4-2 (Рассмотрим данный вариант). В зависимости от этого будет варьировать последовательность аминокислот в модели белка.
• Прикрепить к доске карточки № А1-А4, изображающие участок молекулы ДНК (ГЦТ-ГАЦ-АЦГ и др.) . Объяснить учащимся, что это одна из цепей двуспиральной молекулы ДНК. Спросить у них, почему этот участок не может соответствовать молекуле РНК (присутствует тимин).
• Произвести процесс транскрипции и-РНК по принципу комплементарности азотистых оснований, подбирая соответствующие триплеты. Получится цепочка и-РНК: ЦГА ЦУГ УГЦ (карточки № А5-А8).
• Прикрепить к доске карточку, изображающую органоид рибосому (№ А9).
• И-РНК прикрепить к рибосоме в горизонтальном положении так, чтобы первый триплет азотистых оснований, обозначенный стрелкой, находился над левой половиной рибосомы, а второй триплет - над правой. Остальная часть и-РНК должна находиться вне рибосомы с правой стороны. Следует обратить внимание учащихся на то, что в рибосоме одновременно может находиться только два триплета - 6 азотистых оснований и-РНК.
• Показать учащимся, каким образом и-РНК может перемещаться в рибосоме, продвигаясь каждый раз на три азотистых основания влево, как показано стрелкой.
• Вернуть и-РНК в исходное положение, совместив первые два триплета с рибосомой.
• Вокруг рибосомы, на некотором расстоянии от нее разместить на доске карточки с изображением т-РНК (6 штук, карточки № А10-А15). Спросить учащихся о т-РНК, ее строении, значении в биосинтезе белка, об участке 'антикодон'. Вокруг карточек с т-РНК хаотично разместить карточки с изображением аминокислот (№ А16-А21).
• Постепенно подобрать к каждой т-РНК свою аминокислоту. Для этого используют таблицу генетического кода. Пример: триплет ЦГА в и-РНК кодирует аминокислоту аргинин (арг). Этому триплету и-РНК комплементарен антикодон т-РНК ГЦУ. Таким образом, аминокислоту аргинин принесет в рибосому т-РНК с антикодоном ГЦУ.
• Второй триплет в и-РНК ЦУГ, что кодирует аминокислоту лейцин. Вторая т-РНК с аминокислотой лейцин (лей) будет иметь антикодон ГАЦ.
• Переместить первые две т-РНК, соединенные с аминокислотами, на рибосому, совмещая кодоны и-РНК с антикодонами т-РНК. Обратить внимание учащихся на то, что в рибосоме одновременно может находиться только две т-РНК, и, следовательно, две аминокислоты. С помощью ферментов рибосом между двумя аминокислотами образуется химическая связь. Как только эта реакция произошла, аминокислоты связаны между собой, первая т-РНК освобождается и покидает рибосому.
• Убрать первую т-РНК из рибосомы и поместить ее на прежнее место. Вторая т-РНК удерживает зарождающийся белок из двух аминокислот. В это время и-РНК вместе со второй т-РНК, которая несет две связанные аминокислоты, перемещается влево на три азотистых основания. Первый триплет и-РНК (ЦГА) выходит за пределы рибосомы. Второй триплет оказывается в левой части рибосомы. Вместе с ним в левую часть перемещается вторая т-РНК с двумя аминокислотами (арг-лей). В правой части рибосомы оказывается новый триплет (УГЦ), а под ним - свободное место для новой т-РНК. Кодон УГЦ кодирует аминокислоту цистеин (цис). Эту аминокислоту принесет т-РНК с антикодоном АЦГ. Когда она займет свое место в рибосоме, между лейцином и цистеином образуется химическая связь (арг-лей-цис). После этого вторая т-РНК уйдет из левой половины рибосомы, а третья т-РНК будет удерживать белок из трех аминокислот. Затем и-РНК переместиться еще на один триплет влево вместе с третьей т-РНК и цепочкой из трех аминокислот. Цикл повторится сначала.

Длину участка молекулы ДНК и и-РНК можно изменять в зависимости от пожеланий учителя.

4. Теория вопроса

Биосинтез белка происходит на рибосомах с участием и-РНК и т-РНК, которые образуются в ядре на молекуле ДНК как на матрице

Хотя молекулы ДНК не принимают непосредственного участия в биосинтезе белка на рибосомах, они играют в этом процессе ключевую роль. В них закодирована генетическая информация о последовательности аминокислот в молекулах белка.

В ядре на молекулах ДНК по принципу комплементарности азотистых оснований образуются молекулы РНК:

Азотистые основания ДНК Азотистые основания и-РНК А У Т А Г Ц Ц Г

Этот процесс образования РНК на одной из цепей молекулы ДНК называется транскрипцией.

Во время транскрипции двуспиральная молекула ДНК раскручивается на небольшом участке, и там синтезируется РНК. Потом РНК отходит от участка молекулы ДНК, и ДНК опять скручивается в двойную спираль. Молекулы РНК выходят из ядра в цитоплазму. В цитоплазме находятся рибосомы.

Рибосома - это органоид клетки, где происходит биосинтез белка. Рибосомы находятся в цитоплазме всех клеток: и эукариот, и прокариот. Во всех живых клетках они имеют сходное строение.

В них есть участок, где присоединяется длинная молекула и-РНК. Каждая молекула и-РНК соответствует одному гену, т.е. копирует небольшой участок молекулы ДНК, который отвечает за синтез одной молекулы белка.

Молекулы и-РНК соединяются с рибосомами в строго определенном месте. В составе рибосомы одновременно может находиться только маленький участок и-РНК. Он соответствует шести азотистым основаниям (См. схему сборки модели).

Молекулы и-РНК длинные, в их составе может быть несколько сотен азотистых оснований. Последовательность азотистых оснований кодирует последовательность аминокислот в белке. Кодирование происходит одинаково у всех живых организмов. Каждые три азотистых основания кодируют одну аминокислоту. Это свойство генетического кода - триплетность. Молекула и-РНК постепенно вся пройдет через рибосому, каждый раз продвигаясь на 3 азотистых основания, и вся информация, которая в ней закодирована, будет считана.

Расшифровка генетической информации в рибосоме происходит с помощью молекул т-РНК. По сравнению с и-РНК, это небольшие молекулы. Они тоже образуются в ядре на ДНК как на матрице на специальных участках. Из ядра молекулы т-РНК выходят в цитоплазму к рибосомам. В отличие от и-РНК, эти молекулы имеют нелинейную форму. Они свернуты в пространстве и похожи на трилистник клевера. На модели они имеют следующее изображение:

Известно 61 вид молекул т-РНК. Они отличаются друг от друга тройкой азотистых оснований на самой вершине молекулы. Это очень важный участок т-РНК. С помощью него т-РНК находит свое место в рибосоме. Этот участок называется антикодон. Любая т-РНК только тогда займет свое место в рибосоме, когда ее антикодон будет комплементарен генетическому коду и-РНК (См. схему сборки модели).

В рибосоме одновременно находится два триплета и-РНК, следовательно, к рибосоме сразу могут прикрепляться две молекулы т-РНК. Расположены они очень близко друг к другу, почти соприкасаются.

Главная функция т-РНК - принести аминокислоты в рибосому. Из аминокислот в рибосоме синтезируется белок.

Взаимосвязь т-РНК с аминокислотами происходит в цитоплазме вне рибосомы. Аминокислота присоединяется к концевому участку т-РНК. Эта реакция очень специфична. Один вид т-РНК может связать аминокислоту только определенного вида. Пример из демонстрационного пособия: антикодон т-РНК ГЦУ, это соответствует кодону ЦГА в и-РНК, а, следовательно, аминокислоте - аргинину (арг) (см. таблицу генетического кода). Т-РНК с аргинином займет свое место в рибосоме, когда в соответствующем участке и-РНК в рибосоме будет триплет азотистых оснований - ЦГА.

Две т-РНК, с соответствующими аминокислотами, занимают свое место в рибосоме (см. схему сборки рибосомы). Аминокислоты, принесенные ими, находятся очень близко друг к другу, и ферменты, входящие в состав рибосом, соединяют их химической связью. Образуется маленькая белковая молекула, состоящая всего из двух аминокислот. Затем первая т-РНК освобождается и уходит в цитоплазму, где она опять может присоединить к себе соответствующую аминокислоту. Вторая т-РНК удерживает в это время синтезируемую молекулу белка. В этот момент и-РНК вместе со второй т-РНК и синтезируемой молекулой белка передвигается на три азотистых основания влево, согласно стрелке на схеме. Вторая т-РНК занимает в рибосоме место первой. Место второй т-РНК оказывается свободным, но здесь уже другой триплет азотистых оснований в молекуле и-РНК. Чтобы третья т-РНК с соответствующей аминокислотой заняла свое место в рибосоме, у нее должен быть комплементарный антикодон.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не считается вся информация с и-РНК. Весь процесс происходит в рибосоме и называется трансляцией. Почему? Язык кодирования в последовательности азотистых оснований переводится на другой язык - последовательности аминокислот.

Вопросы

• Какой процесс в ядре предшествует биосинтезу белка?
• Роль рибосом в биосинтезе белка?
• В чем значение и-РНК в биосинтезе белка?
• Какова функция т-РНК в биосинтезе белка?

6. Правила хранения

Хранить модель следует в сухом отапливаемом помещении, при температуре около 15-250С и влажности не более 80%.

После демонстрации рекомендуется проверить комплектность модели.