ОБМІН РЕЧОВИН І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ У КЛІТИНІ.
БІОСИНТЕЗ БІЛКА
Світлана Олександрівна Соломаха
Київський енергетичний фаховий коледж
Дана методична розробка відповідає діючій навчальній програмі з біології для закладів загальної середньої освіти, 10-11класи, рівень стандарту, затверджено Наказом Міністерства освіти і науки України від 23.10.2017 №1407. Вивчення особливостей обміну речовин і перетворення енергії у клітині, проходження процесу біосинтезу білка входить у комплекс питань теми 2. Обмін речовин і перетворення енергії і теми 3.Спадковість і мінливість.
Розробка містить матеріал навчальної лекції по темі «Обмін речовин і перетворення енергії у клітині.
Біосинтез білка»“.
Метою розробки було максимально просто, логічно правильно і зрозуміло для студентів подати лекційний матеріал з даної теми.
Хоча у підручнику ця тема викладена зрозуміло (для викладача), із поясненням усіх особливостей кожного етапу біосинтезу білка, цей матеріал сприймається студентами важко. Часто вони не уміють переказати цю тему, не усвідомлюють послідовності етапів біосинтезу білка, не бачать механізму цього процесу. А прогалини у теоретичних знаннях приводять до неуміння розв’язувати розрахункові задачі.
Тому пропоную в ході навчальної лекції обов’язково давати для запису :
1) схему, що показує відповідність понять: триплет нуклеотидів, амінокислота, білок,
ген ;
2) опорний конспект, що показує механізм біосинтезу білка. Практикою доведено, що ця схема дозволяє чітко бачити перехід: одна нитка ДНК - іРНК - білок , що допомагає при розв’язуванні задач.
Навіть слабкі студенти, користуючись цим опорним конспектом, можуть послідовно переказати процес біосинтезу білка.
Закріплення матеріалу може відбуватися в ході розв’язування розрахункових задач. Все залежить від рівня підготовленості групи, від швидкості сприйняття студентами матеріалу нової теми.
На розв’язування задач можна виділити і окреме заняття, в першій частині якого показати як розв’язуються задачі на транскрипцію і реплікацію; в другій частині можна провести самостійну роботу.
Матеріали тестових завдань і кросворд “ Транскрипція “ викладач може використати для закріплення матеріалу нової теми і як домашнє завдання, а також для перевірки та оцінювання знань та умінь.
По даній методиці мною проводились заняття протягом декількох років. Даний підхід до вивчення нового матеріалу є виправданим, логічним, завершеним і перевіреним практикою.
Методична розробка пропонується для використання викладачам біології вищих навчальних закладів освіти I – II рівнів акредитації.
Конспект заняття з біології на тему “ Обмін речовин і перетворення енергії у клітині. Біосинтез білка” Тема Обмін речовин і перетворення енергії у клітині. Біосинтез білка
Мета: - дати поняття про обмін речовин як сукупність пластичного та енергетичного обмінів, що відбуваються у клітині;
- розкрити суть процесу біосинтезу білка, його основні етапи;
- продовжувати формувати уміння застосовувати теоретичні знання при розв’язуванні
розрахункових задач з молекулярної біології;
- розвивати уміння логічно мислити, абстрагувати, робити висновки.
Тип заняття: навчальна лекція.
Методи і прийоми: фронтальне опитування, розповідь з елементами бесіди, метод порівняння, абстрагування, узагальнення, робота з таблицею “ Гене- тичний код”, складання опорного конспекту, розв’язування задач.
Забезпечення заняття: наочні посібники: таблиці “ Структура білків “, “ Будова нуклеїнових кислот “,
“ Схема біосинтезу білка “, “ Генетичний код “;
роздатковий матеріал: таблиці “ Генетичний код “, картки із розрахунковими задачами;
література: Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закладів загальної середньої освіти / О, А. Андерсон, М.А.Вихренко, А.О.Чернінський – Київ:
ВЦ «Школяр», 2018.
Структура заняття I. Організаційно-вступна частина.
II. Актуалізація опорних знань.
III. Мотивація навчальної діяльності.
IV. Вивчення матеріалу нової теми
1.Загальне поняття про обмін речовин та перетворення енергії у клітині.
2.Біологічний синтез білка, його етапи.
3.Закріплення матеріалу.
V. Розв’язування елементарних вправ з транскрипції та реплікації.
VI. Підведення підсумків заняття.
VII. Домашнє завдання.
Хід заняття I. Організаційно-вступна частина.
Перевірка присутності на занятті студентів, готовності їх до заняття.
Актуалізація опорних знань.
Фронтальне опитування по матеріалу:
1. Що таке біологія ?
2. Які організми можна назвати живими ?
3. Живі організми, що населяють нашу планету, дуже різноманітні за величиною, будовою, процесами життєдіяльності. А що є спільним у будові всіх живих організмів
?
4. Який хімічний склад клітини ?
5. Які із перерахованих органічних сполук можна назвати полімерними структурами ?
6. Що є мономерами білків, нуклеїнових кислот ? ( Уточнюємо дані: Mr(амінокислоти) = 110 дальтон; l(амінокислоти) = 0,35 нм; Mr(нуклеотиду) = 330 дальтон; l(нуклеотиду) = 0,34 нм)
7. А чи можна клітину назвати живою системою ? Які процеси відбуваються всередині клітини ?
II. Мотивація навчальної діяльності.
Повідомлення теми, мети заняття ( пишуться на дошці заздалегідь, але відкриваються тільки в момент оголошення теми. Пункти знати, уміти повинні весь час бути перед очима студентів, на них необхідно вказувати і під час вивчення матеріалу нової теми, і під час закріплення знань ).
Тема Обмін речовин і перетворення енергії у клітині. Біосинтез білка.
Знати: визначення понять обмін речовин, асиміляція, дисиміляція, ген, транскрипція, трансляція. Уміти: пояснювати процес біосинтезу білка, застосовувати теоретичні знання при розв’язуванні розрахункових задач.
III. Вивчення матеріалу нової теми.
Окремі клітини та організми належать до відкритих систем. Це означає, що їхнє існування можливе лише завдяки надходженню в них із зовнішнього середовища поживних речовин, їхніх перетворень та виведення назовні продуктів життєдіяльності. Сукупність цих процесів має назву обмін речовин, або метаболізм ( від грец. метаболе – переміна ) .
Студенти записують у зошити визначення поняття “Обмін речовин” та функції обміну речовин, схему яких викладач зображує на дошці, паралельно пояснюючи матеріал.
Обмін речовин – це складний ланцюг перетворень речовин в організмі, починаючи із надходження їх із навколишнього середовища і закінчуючи видаленням продуктів розпаду.
1. Забезпечення клітини будівельним матеріалом.
амінокислоти білки
глюкоза вуглеводи С И Н Т Е З потребує Е гліцерин і жирні кислоти жири
Сукупність реакцій, що забезпечують побудову клітини та оновлення її складу називають пластичним обміном (асиміляцією).
2. Забезпечення клітини енергією.
білки амінокислоти
вуглеводи Р О З П А Д глюкоза Е жири гліцерин і жирні кислоти
Сукупність реакцій, що забезпечують клітину енергією називають енергетичним обміном (дисиміляцією) .
Процеси розкладу сполук не завжди врівноважені процесами їхнього синтезу. Так, під час росту клітини чи організму процеси синтезу переважають над процесами розкладу. Завдяки цьому забезпечується накопичення необхідних сполук і ріст організмів. Під час інтенсивної фізичної роботи, у разі нестачі поживних речовин або старіння, навпаки, процеси розкладу переважають над процесами синтезу. Якщо втрата біомаси та енергії не будуть компенсовані харчуванням, то організм поступово виснажуватиметься, що врешті-решт призведе до загибелі.
Отже, енергетичний та пластичний обміни є складовими єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах – метаболізму. Завдяки процесам обміну речовин і перетворення енергії забезпечується підтримання гомеостазу за змін умов навколишнього середовища. Підтримання гомеостазу – необхідна умова нормального функціонування будь – якої біологічної системи від клітинного до біогеоценотичного рівнів організації.
Основними процесами пластичного обміну є біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот.
В наш час 10 - 15% населення Землі голодує. а 40% отримує неповноцінне харчування, тому людство змушене промисловим шляхом синтезувати білки – найбільш дефіцитний продукт на Землі. Це завдання вирішується різними шляхами, в тому числі і у виробленні штучних білків з нехарчової сировини рослинного походження. Непоганих успіхів в цьому досягла у нас в Україні Миколаївська фірма “ Світязь “ . Вони добре налагодили переробку водорості спіруліни, 30г сухої маси якої замінює 9кг м’яса.
До розв’язання проблеми штучного синтезу білка біологи світу йшли давно. Вперше в 1964 р. було штучно синтезовано інсулін-гормон. Інсулін складається з 5-ти амінокислот. Для його синтезу було затрачено 3 роки, 10 вчених провели 5 тисяч операцій. Потім було штучно синтезовано інші не менш важливі білки.
Сьогодні на занятті ми ознайомимось з основними етапами біосинтезу білка , важливо зрозуміти суть кожного етапу.
Як ви пам’ятаєте, розрізняють амінокислоти замінні і незамінні. Перші з них можуть синтезуватися в організмі людини і тварин, другі – надходять до них лише з їжею. Білки їжі перетравлюються (розщеплюються до амінокислот) в органах травної системи. Амінокислоти поглинаються через стінки кишечника у кров та транспортуються до клітин, де з них синтезуються білки, властиві даному організмові. Рослини та деякі мікроорганізми здатні самі синтезувати всі необхідні їм амінокислоти. Синтез кожної з 20 основних амінокислот – багатоступеневий ферментативний процес.
У живих організмах утворюється величезна кількість різноманітних білків. Інформація про структуру кожного з них має знаходитись у клітинах і передаватися нащадкам. Єдина для всіх живих організмів система запису спадкової інформації дістала назву генетичний код . Він зберігається в клітині у вигляді певної послідовності нуклеотидів у молекулі нуклеїнової кислоти. Саме він визначає порядок розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі під час його синтезу.
Отже, білки синтезуються із амінокислот, а інформація про те, який саме білок повинен синтезуватися знаходиться у генах організму.
Ген – частина молекули ДНК, що несе інформацію про структуру одного білка.
Студенти записують у зошити спрощену схему, що показує відповідність понять: триплет нуклеотидів, амінокислота, білок, ген.(рис.1)
Рисунок 1
Учені виявили, що кожна амінокислота кодується певною послідовністю з трьох нуклеотидів – триплетом .
Чотири різні нуклеотиди РНК можуть утворювати 64 комбінації ( 4 = 64 ) . Тобто існує 64 різні триплети. Оскільки відомо лише 20 основних амінокислот, то можна припустити, що одна амінокислота може кодуватися кількома різними триплетами.
Студентам роздаються таблиці “ Генетичний код . Викладач пояснює структуру таблиці, правила користування нею.
Якщо придивитися до таблиці, то можемо помітити, що генетичний код :
1) триплетний – кожній амінокислоті відповідає трійка нуклеотидів ДНК ( РНК ) – кодон.
2) однозначний – один триплет кодує лише одну амінокислоту;
3) вироджений – одну амінокислоту можуть кодувати декілька різних триплетів;
4) універсальний – єдиний для всіх організмів, які існують на Землі;
5) не перекривається – кодони зчитуються один за одним, з однієї певної точки в одному напрямку ( один нуклеотид не може входити одночасно до складу двох сусідніх триплетів ) .
6) між генами існують “ розділові знаки “ - ділянки, які не несуть генетичної інформації, а лише відокремлюють одні гени від інших. Їх називають спейсерами.
Стоп-кодони УАА, УАГ, УГА означають припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга, триплет АУГ визначає місце початку синтезу наступного.
Пояснення механізму процесу біосинтезу білка із записом опорного конспекту (рис.2), що дозволить зрозуміти етапи біосинтезу і допоможе при розв’язуванні розрахункових задач.
Рисунок 2
Переписування інформації про структуру білка із ДНК на і-РНК називають транскрипцією ( від лат. транскрипціо – переписування ) . Цей процес відбувається по принципу комплементарності.
Перенесення інформації про структуру білкавід ядра до місця синтезу білка, тобто до рибосоми, називають трансляцією ( від лат. транслятіо – передача ) .
Етап |
Місце |
Процеси |
Транскрипція |
Каріоплазма |
Фермент РНК-полімераза розщеплює подвійний ланцюг ДНК і на одному з ланцюгів за принципом комплементарності синтезує молекулу про-іРНК. За допомогою спеціальних ферментів проіРНК перетворюється на активну форму іРНК, яка надходить з ядра до цитоплазми клітини |
Активація амінокислот |
Цитоплазма |
Приєднання амінокислот за допомогою ковалентного зв’язку до певної тРНК. тРНК транспортує амінокислоти до місця синтезу білка |
Трансляція |
Рибосоми |
Під час синтезу білка рибосома насувається на ниткоподібну молекулу іРНК таким чином, що іРНК опиняється між її двома субодиницями. У рибосомі є особлива ділянка – функціональний центр. Його розміри відповідають довжині двох триплетів, тому в ньому водночас перебувають два сусідні триплети іРНК. В одній частині функціонального центру антикодон тРНК пізнає кодон іРНК, а в іншій – амінокислота звільнюється від тРНК. Коли рибосома досягає стоп-кодону, синтез білкової молекули завершується |
Утворення природної структури білка |
Ендоплазматична сітка |
Білок набуває певної просторової конфігурації. За участю ферментів відбувається відщеплення зайвих амінокислотних залишків, введення фосфатних, карбоксильних та інших груп тощо. Після цих процесів білок стає функціонально активним. |
Процеси синтезу білкових молекул потребують витрат енергії, яка звільняється при розщепленні молекул АТФ. Закріплення матеріалу : бесіда по схемі біосинтезу білка, пунктам знати , уміти.
IV. Розв’язування елементарних вправ з транскрипції та реплікації.
Задача 1. Молекулярна маса білка х = 110 000. Визначити довжину і молекулярну масу фрагмента молекули відповідного гена.
1.Визначаємо кількість амінокислот у даному білку, беручи масу амінокислоти за 110. 110 000 : 110 = 1000 (амінокислот) 2. Визначаємо кількість нуклеотидів в одному з ланцюгів ДНК, який програмує даний білок х.
1000 × 3 = 3000 (нуклеотидів) 3. Визначаємо довжину ланцюга даного фрагмента ДНК, що кодує даний білок х. 3000 × 0,34 нм = 1020 нм – довжина дволанцюгового фрагмента ДНК. 4. Яка молекулярна маса даного фрагмента ДНК (дволанцюгового), що кодує даний білок х ? 6000 × 330 = 1 980 000.
Відповідь : l фр. = 1020 нм ; m фр. = 1 980 000.
Задача 2. Один з ланцюгів ДНК має молекулярну масу 65 340. Визначити кількість мономерів білка, запрограмованого в цьому ланцюгу ДНК.
1. Визначаємо кількість нуклеотидів у даній ДНК (фрагменті) :
65 340 : 330 = 198 2. Визначаємо кількість мономерів білка, запрограмованого в цьому ланцюгу ДНК:
198 : 3 = 66.
Відповідь : білок складається із 66 амінокислот.
Задача 3. Хімічний аналіз показав, що до складу і-РНК входить 20% аденінових нуклеотидів, 16% урацилових, 30% цитозинових. Визначити співвідношення нуклеотидів у ДНК , з якої була знята інформація на дану РНК .
1. Визначаємо у відсотках вміст гуанінових нуклеотидів у і-РНК : Г = 100% - (А + У + Ц ) = 100% - ( 30% + 16% +20% ) = 34% 2. Визначаємо у відсотках склад того з ланцюгів ДНК, “ зліпком “ з якої є дана і-РНК. і-РНК один ланцюг ДНК другий ланцюг ДНК
А = 20% Т = 10% А = 10%
У = 16% А = 8% Т = 8% Ц = 30% Г = 15% Ц = 15% Г = 34% Ц = 17% Г = 17%
Звідси загалом в молекулі ДНК відсотковий вміст нуклеотидів буде таким : А = 8% + 10% = 18% ; Т = 10% + 8% = 18% ;
Г = 15% + 17% = 32% ; Ц = 17% + 15% = 32%. Відповідь: У даній ДНК співвідношення нуклеотидів: А=Т=18%; Г=Ц=32%.
Задача 4. Початкова ділянка молекули білка має таку будову :
асп – лей – ала – сер – ала. Визначити кількісне співвідношення аденін + тимін гуанін + цитозин (коефіцієнт специфічності К) у ланцюгу ДНК, яка кодує цю ділянку білка. Розв’язання
Білок: асп - лей - ала - сер - ала
і-РНК: ГАУ – ЦУУ – ГЦУ – АГУ – ГЦУ
ДНК
права: ЦТА – ГАА - ЦГА – ТЦА – ЦГА ліва: ГАТ - ЦТТ - ГЦТ - АГТ - ГЦТ
А+Т = 8+8 = 16; Г+Ц = 7+7 = 14; К =16 :14 = 1,1. Відповідь: Коефіцієнт специфічності = 1,1.
V. Підведення підсумків заняття.
Узагальнення матеріалу нової теми по пунктам знати, уміти. Виставлення оцінок, їх коментування.
VII. Домашнє завдання.
1) Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закладів загальної середньої освіти / О, А. Андерсон, М.А.Вихренко, А.О.Чернінський – Київ: ВЦ «Школяр», 2018. Ст.65,66,122-128. 2) Розв’язати кросворд (вміщується у робочому куточку кабінету біології).
Розв’яжіть кросворд ключовим словом якого є один з етапів біосинтезу білка.
1. Нуклеїнова кислота, що приносить амінокислоти до місця синтезу білка.
2. Структурний компонент клітини, де знаходиться інформація про білок.
3. Приєднання амінокислот до певної тРНК.
4. Принцип, за яким переписується інформація із ДНК на іРНК.
5. Місце синтезу білка.
6. Триплет нуклеотидів, що знаходиться на верхівці тРНК.
7. Амінокислота, закодована триплетом АГА.
8. Мономер нуклеїнової кислоти.
9. Місце транскрипції.
10. Один з етапів біосинтезу білка.
11. Нуклеїнова кислота, що приносить інформацію про структуру білка.
12. Етап обміну речовин до якого належить біосинтез білка.
Відповіді
1. тРНК; 2. ядро; 3.активація; 4. комплементарність; 5. рибосома; 6. антикодон; 7. арг; 8.
нуклеотид; 9. каріоплазма; 10. трансляція; 11. іРНК; 12. асиміляція.
Виберіть із запропонованих відповідей правильну
1. Що є мономером білка?
а) поліпептидний ланцюг; в) амінокислота;
б) нуклеотид; г) азотиста основа.
2. Що є мономером нуклеїнових кислот ?
а) вуглевод;
б) азотиста основа;
в) нуклеотид;
г) амінокислота.
3. Виберіть правильне визначення терміна “транскрипція” :
а) переписування інформації з молекули ДНК на молекулу іРНК;
б) транспорт амінокислотних залишків до місця синтезу білкової молекули;
в) сполучення амінокислотних залишків у поліпептидний ланцюг;
г) набуття молекулою білка активного стану. 4. Зазначте, на мембранах яких органел відбувається синтез білка:
а) комплексу Гольджі;
б) лізосом;
в) травних вакуоль;
г) зернистої ендоплазматичної сітки;
д) незернистої ендоплазматичної сітки.
Виберіть із запропонованих відповідей дві правильні
5. Укажіть біохімічні процеси, які належать до пластичного обміну:
а) самоподвоєння ДНК;
б) окиснення органічних сполук;
в) окиснення неорганічних сполук;
г) біосинтез ліпідів. 6. Укажіть біохімічні процеси, які належать до енергетичного обміну: а) фотосинтез;
б) окиснення органічних сполук;
в) хемосинтез;
г) розщеплення органічних сполук без доступу кисню.
7. Виберіть біохімічні процеси, що відбуваються при біосинтезі білка:
а) безкисневе розщеплення (гліколіз);
б) аеробне дихання;
в) трансляція;
г) транскрипція. 8. Укажіть, під час яких процесів відбувається утворення поліпептидного ланцюга: а) світлової фази фотосинтезу;
б) біосинтезу білків;
в) активації амінокислот;
г) трансляції;
Завдання на встановлення відповідності
9. Установіть відповідність між процесами, що відбуваються в організмі, та їхніми визначеннями:
Процеси |
Визначення |
А Дисиміляція Б Трансляція В Асиміляція Г Транскрипція |
1. Сукупність біохімічних процесів, спрямованих на утворе- ння та оновлення структурних частин клітин та тканин 2. Сукупність біохімічних процесів, спрямованих на розщеп- лення складних органічних сполук 3. Набуття білковою молекулою специфічної структури 4. Синтез білкової молекули на матриці – молекулі іРНК від- повідно до генетичного коду 5. Біосинтез молекули іРНК на молекулі ДНК |
10. Установіть відповідність між триплетом нуклеотиду та амінокислотою, що закодована цим триплетом:
Триплет |
|
|
Амінокислота |
А ЦУЦ Б АУГ В УАА Г ГГГ |
1. 2. 3. 4. |
мет глі лей ---- |
|
|
5. |
вал |
|
11. Установіть відповідність між етапами біосинтезу білкової молекули та подіями, які відбуваються на тому чи іншому етапі:
Процеси |
Етапи біосинтезу білкової молекули |
А Переписування інформації з молекули ДНК на моле – кулу іРНК Б Приєднання амінокислот до відповідних молекул тРНК В Утворення комплексів з молекул іРНК, рибосом та тРНК Г Переведення послідовності нуклеотидів молекули іРНК в послідовність амінокислотних залишків білкової молекули, що синтезується |
1. Ініціація 2. Термінація 3. Транскрипція 4. Трансляція 5. Активація |
12. Установіть відповідність між етапами біосинтезу білка та місцем проходження процесу:
Етап |
Місце |
А Транскрипція Б Активація амінокислот В Трансляція Г Утворення природної структури білка |
1. Цитоплазма 2. Мітохондрії 3. Каріоплазма 4. Рибосоми 5. Ендоплазматична сітка |
Використана література
1. Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закладів загальної середньої освіти / О, А. Андерсон, М.А.Вихренко, А.О.Чернінський – Київ: ВЦ «Школяр», 2018.
2. Балан П.Г., Вервес Ю.Г., Поліщук В.П. Біологія: 10 кл.- К.: Генеза, 2010.
3. Барна І.В., Барна М.М.
Біологія. Задачі та розв’язки. Навчальний посібник. Частина II.- Тернопіль: Мандрівець, 2001.
4. Бригідир Г.З., Гайда Г.В., Галашин О.Я. та ін. Біологія. 10-11 клас. Поурочне планування. Конспекти уроків.- Тернопіль: “Навчальна книга – Богдан” , 2000.
5. Красильникова Т.В. Біологія. 10-11 класи: Наочний довідник . – К .; Х .: Веста , 2006.