Биосинтез белка У

1.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА
10 класс

2.

Биосинтез
– это процесс образования органических
веществ из более простых соединений,
происходящий в живых организмах под
действием биологических катализаторов –
ферментов.
Биосинтез всегда осуществляется с
потреблением энергии!

3.

Биосинтез белка бывает:
• 1. Автотрофным
• А) фототрофным (фотосинтез)
• Б) хемотрофным (хемосинтез)
• 2. Гетеротрофным

4.

Биосинтез
• 1) транскрипция
• 2) трансляция

5.

Транскрипция – процесс
образования иРНК
• Цепочка иРНК синтезируется на одной из цепей
молекулы ДНК, которая служит матрицей.
• Весь процесс синтеза иРНК совершается с
помощью особого фермента РНК-полимеразы,
передвигающегося вдоль цепи молекулы ДНК в
направлении 5’ 3’ концу.
• Сама ДНК в этом процессе не расходуется и не
изменяется, сохраняясь в прежнем виде и
готова к новому списыванию с нее информации
на иРНК.

6.

Транскрипция – процесс
образования иРНК
5’
3’
3’
5’
Схема образования иРНК на матрице ДНК

7.

• В начале каждого гена или каждой группы генов находится
своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы –
промотор. Это специфическая последовательность
нуклеотидов ДНК (старт-кодон, см.Генетический код),
которую фермент «узнает» благодаря химическому
сродству. Только присоединившись к промотору, РНКполимераза способна начать синтез иРНК. В конце гена или
группы генов фермент встречает сигнал (определенную
последовательность нуклеотидов), означающий конец
переписывания (стоп-кодон, см.Генетический код) –
терминатор.

8.

Транскрипция – процесс
образования иРНК
Первично синтезированная РНК
(будущая иРНК) присутствует только в ядре и
не обнаруживается в цитоплазме. Она
является предшественником иРНК, поэтому
ее называют также пре-иРНК или
первичным транскриптом. Величина преиРНК всегда в несколько раз превышает
величину иРНК. Длинные пре-иРНК - это
полные копии, «списанные» с цепи ДНК,
содержащие кодирующие участки – экзоны и
некодирующие - интроны. Поэтому их
называют гетерогенными ядерными РНК –
гяРНК.
Интроны впоследствии вырезаются из первичной РНК, а образовавшиеся
концы фрагментов ковалентно «сшиваются» в одну цепь – сплайсинг (от англ. to
splice – сращивать канат без узлов). А процесс образования иРНК из гяРНК
называется созреванием, или процессингом. Созревание (процессинг) приводит
к общему укорачиванию молекулы РНК. В таком зрелом виде иРНК
транспортируется в цитоплазму для синтеза белка.

9.

Транскрипция – процесс
образования иРНК
Процессинг у эукариот
Первичный транскрипт может содержать от 6 до 200тыс.нуклеотидов,
а иРНК – от 500 до 3000 нуклеотидов.

10.

Трансляция – перевод информации с
«языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.
• В построении белка участвуют только 20
аминокислот из 170, существующих в природе.
• Синтез молекулы белка происходит в
цитоплазме.
• В процессе трансляции нуклеотидная
последовательность с иРНК считывается
группами по три нуклеотида (триплет, или кодон)
в направлении 5’ 3’. Кодон – это дискретная
единица генетического кода в молекуле иРНК.

11.

Трансляция – перевод информации с
«языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.
Транспортные РНК
доставляют аминокислоты к иРНК и
рибосомам. Они небольшие, состоят из
70-90 нуклеотидов, могут
сворачиваться, при этом образовывать
петли, напоминающие по форме лист
клевера – трилистник. В строении этой
молекулы имеются две функционально
важные части: акцепторная,
расположенная на черешке
трилистника и антикодоновая,
размещенная на противоположной
центральной вытянутой петле тРНК.
Антикодон – участок тРНК, состоящий из трех нуклеотидов комплементарный
кодону иРНК.
Акцепторный участок тРНК находится на 3’-конце и содержит несколько
нуклеотидов, конечным из которых всегда является триплет ЦЦА. Другой конец цепочки
тРНК (5’-конец) всегда заканчивается гуанином (Г).

12.

Трансляция – перевод информации с
«языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.
Акцепторный конец (3’-конец)
(остаток адениловой кислоты (А) в
последовательности ЦЦА) присоединяет
к себе с помощью специального
фермента аминоацил-тРНК-синтетазы
«свою» аминокислоту. Присоединение
идет с потреблением энергии (одной
молекулы АТФ). Благодаря энергии
молекул АТФ аминокислоты
активируются , т.е. переходят в форму,
способную образовывать пептидную
цепь. Это важный этап, т.к с вободные
аминокислоты присоединиться к
полипептидной цепи не могут.
Молекула тРНК с
аминокислотой, присоединенной выше
описанным способом, называется
аминоацил-тРНК.

13.

Трансляция – перевод информации с
«языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.
Рибосома состоит из двух субъединиц –
большой и малой, образованных из рРНК и
белков. Обычно рибосома находится в
диссоциированном виде, рибосомные
субъединицы обособлены друг от друга. Но с
началом трансляции малая субъединица
связывается с иРНК рядом с её 5'-концом,
несущим стартовый кодон АУГ. К нему сразу
же присоединяются: инициаторная тРНК,
несущая аминокислоту метионин, и белковые
факторы инициации (начала) синтеза.
После этого весь образовавшийся сложный комплекс, в свою очередь, прочно
присоединяется к большой субъединице рибосомы, и в ней начинается собственно синтез
молекул белка. Такое присоединение (ассоциация) происходит только при наличии в среде
двухвалентных катионов Mg2+.
На большой субъединице есть специфические места для присоединения аминоацилтРНК: два разных участка, связывающих молекулы тРНК. Один из них служит для удерживания
только что прибывшей молекулы аминоацил-тРНК. Поэтому его называют А-участком
(получения команды). Второй участок удерживает молекулу тРНК, присоединённую к растущему
концу полипептидной цепи. Его называют пептидил-тРНК-связывающим участком, или Пучастком (Р-участок).

14.

Трансляция – перевод информации с
«языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.
По мере присоединения
аминокислот идёт нарастание полипептидной
цепи. При этом рибосома как бы скользит
вдоль цепи иРНК. С добавлением каждой
аминокислоты в полипептидную цепь
рибосома продвигается вперёд вдоль
молекулы иРНК ровно на три нуклеотида. При
достижении рибосомой стоп-кодона синтез
прекращается, потому что к стоп-кодонам нет
соответствующих антикодонов ни у одной из
тРНК. В результате полипептидная цепь
отделяется от рибосомы. Рибосома при этом
обычно распадается на две отдельные
субъединицы, которые затем могут
участвовать в новом процессе синтеза.

15.

Трансляция – перевод информации с
«языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.
• Одну молекулу иРНК могут транслировать
сразу несколько рибосом, образуя комплекс
— полирибосому (полисому) (рис. 173).
• Процесс биосинтеза белков на всех его
этапах идёт с участием многих ферментов и
с непременным потреблением энергии. Он
считается одним из самых энергоёмких.
• На соединение каждой аминокислоты с тРНК
расходуется энергия одной молекулы АТФ.
Средний по размерам белок состоит из 500
аминокислот, следовательно, столько же
молекул АТФ расщепляются в процессе его
синтеза. Кроме того, энергия нескольких
молекул АТФ нужна для движения иРНК по
рибосоме.

16.

Биосинтез белков – процесс
чрезвычайно сложный , связанный с участием
множества ферментов и затратой очень
большого количества энергии, значительно
превышающего количество энергии
образующихся пептидных связей.
Поразительная сложность системы
биосинтеза и ее высокая энергоемкость
обеспечивают высокую точность и
упорядоченность синтеза полипептидов.

17.

ЗАДАЧИ
• 1. В кодирующей цепи гена содержится 600 нуклеотидов.
Сколько аминокислот содержится в молекуле белка,
информация о которой закодирована в этом гене, если в
конце гена имеются два стоп - триплета?

18.

• Решение:
• 1. Поскольку в конце гена имеются два стоп - кодона, то 6
нуклеотидов (2×3) не несут информации о структуре белка.
Значит, информация о данном белке закодирована в цепочке из
594 (600 – 6) нуклеотидов.
• 2. Основываясь на триплетности кода, подсчитаем количество
аминокислот: 594 : 3 = 198.
• Ответ: в молекуле белка содержится 198 аминокислот.

19.

• 2. В белке содержится 25 аминокислот. Сколько
нуклеотидов содержится в кодирующей цепи гена, если три
«знака препинания» стоят в конце гена?

20.

• Решение:
• 1.Определим количество нуклеотидов в кодирующей части
соответствующей цепи гена: 25×3=75.
• 2. Поскольку каждый “знак препинания” содержит 3
нуклеотида, то общее количество нуклеотидов в
кодирующей цепи гена составляет 75+3 × 3=84.
• Ответ: в кодирующей цепи гена содержится 84 нуклеотида.

21.

• 3. Длина фрагмента молекулы ДНК бактерии равняется 20,4
нм. Сколько аминокислот будет в белке, кодируемом
данным фрагментом ДНК?

22.

• Решение:
• 1. Определим число нуклеотидов в кодирующей цепи гена:
20,4 нм : 0,34 нм = 60.
• 2. Исходя из триплетности кода определяем количество
аминокислот в белке: 60 :3 = 20.
• Ответ: в белке будет 20 аминокислот.

23.

• 4. Длина гена 34,68 нм. Какова масса молекулы белка,
кодируемой данным геном, если по одному регуляторному
триплету находится в начале и в 13 конце гена, длина
одного нуклеотида - 0,34 нм, а масса одной аминокислоты 100 а. е.?

24.

• Решение:
• 1. Находим количество нуклеотидов в кодирующей цепи гена:
34,68 нм: 0,34 нм = 102.
• 2. Учитывая, что по одному регуляторному триплету находится в
начале и в конце кодирующей цепи гена, находим количество
нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка: 102 – 2 × 3
= 96.
• 3. Зная, что за каждую аминокислоту отвечает один триплет
нуклеотидов, определяем количество аминокислот в молекуле
белка: 96 : 3 = 32. 4. Находим массу белковой молекулы: 100 а.
е.× 32=3200 а.е.
• Ответ: масса белковой молекулы 3200 а. е.

25.

• 5. Относительная молекулярная масса белка равна 40 000, масса одного
нуклеотида - 350, длина одного нуклеотида 0,34 нм, масса одной
аминокислоты 100. Определить массу цепи гена, кодирующей этот белок.
• 6. Считая, что средняя относительная молекулярная масса аминокислоты
около 110, а нуклеотида - 300, определите, что тяжелее - белок или
кодирующий его ген? Во сколько раз?
• 7. В ДНК содержится информация о 150 аминокислотах, тимидиловых
нуклеотидов в ней в 1,5 раза больше, чем гуаниловых. Определить,
сколько нуклеотидов (по отдельности) содержится в ДНК и какова её
длина.
• 8. Известно, что фрагмент кодирующей цепи гена бактерии содержит 30%
гуаниловых, 25% адениловых, 45% цитидиловых нуклеотидов, а его
длина составляет 122,4нм. Определить, сколько аминокислот будет
содержаться во фрагменте молекулы белка, кодируемого этим геном?
Сколько нуклеотидов каждого вида содержится на участке ДНК, в котором
расположен данный ген?

26.

• 9. Фрагмент ДНК собаки содержит 600 тимидиловых нуклеотидов.
Определить количество аминокислот в белковой молекуле, если
экзоны составляют 10% всех нуклеотидов кодирующей цепи гена,
а количество гуаниловых нуклеотидов в этом фрагменте ДНК
равняется 35%.
• 10. Фрагмент кодирующей цепи гена мыши содержит 1800
нуклеотидов. Из них 600 приходятся на интроны. Кодирующая
часть (экзоны) данного фрагмента 15 гена содержат 300
адениловых, 200 тимидиловых, 100 гуаниловых нуклеотидов.
Определите: 1) длину данного фрагмента ДНК; 2) количество
кодонов в зрелой и-РНК; 3) процентное содержание нуклеотидов
каждого вида в зрелой и-РНК; 4) количество аминокислот в
соответствующем фрагменте молекулы белка.