Генетическая информация в клетке. Практика

На этой странице вы узнаете

• Какие трудности может встретить полиция при работе с ДНК преступника?
• Какие правила необходимо запомнить для решения задач на биосинтез?
• Что означает антипараллельность?

Кто бы мог подумать, что для успешной сдачи экзамена по биологии придется решать задачи! Ведь это не математика, не физика и даже не химия. Но тем не менее в биологии есть несколько видов задач.

Эта статья поможет вам разобраться в различных типах задач на биосинтез белка, подробнее о котором вы можете прочитать в статье «Генетическая информация в клетке. Биосинтез белка». Сейчас же нам предстоит много интересной практики, самое важное в задачах этого типа — внимательность и проверка своих ответов. 

Историческая справка

В природе существует множество аминокислот, но для синтеза белка в организме человека используется всего 20 из них. Для их кодирования, а также обозначения сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности (после этого синтез белка уже не идет), достаточно 64 возможных комбинаций нуклеотидов. 

Начало изучения генетического кода было положено А. Дауном и Г. Гамовым в 1952—1954 годах. Ученые выяснили, что для кодирования одной аминокислоты необходима последовательность из трех элементов. Этими элементами оказались нуклеотиды, последовательность трех нуклеотидов назвали кодоном или триплетом.

Знания по биосинтезу белка могут пригодиться не только во второй части государственного экзамена, но и в первой части для решения задания номер 3. Такое задание может звучать следующим образом: какое количество аминокислот будет закодировано 33 триплетами иРНК?

Итак, здесь нам нужно вспомнить, что один триплет кодирует одну аминокислоту, а значит, количество аминокислот равно количеству триплетов в молекуле иРНК. Таким образом, 33 триплета иРНК кодируют последовательность из 33 аминокислот. 

В 1961 году триплетность генетического кода удалось установить в ходе экспериментов.

В настоящее время, когда четко установлены правила генетического кода, ученые работают над его изучением и возможностями преобразования. Эти исследования дают большой потенциал в развитии генетики и медицинской инженерии. 

Интересно, что сочетание этих 64 возможных последовательностей нуклеотидов в каждом организме индивидуально! Например, геном одного человека занял бы более 200 000 страниц, если бы кто-то задумал напечатать его в формате книги. И при этом невозможно найти двух людей с одинаковым геномом, кроме… однояйцевых близнецов. С этим связан один очень интересный факт. 

Какие трудности может встретить полиция при работе с ДНК преступника? 10 сентября 1984 года британским генетиком Алеком Джеффрисом был открыт метод генетической дактилоскопии, или ДНК-дактилоскопии. Это метод биологической идентификации индивидуумов, основанный на уникальности последовательности нуклеотидов ДНК каждого живого существа. Однако, известно, что однояйцевые близнецы имеют практически идентичную ДНК, так как развиваются из одной яйцеклетки. Поэтому нельзя с точностью определить, кто именно из близнецов будет виноват в совершении преступления. В связи с отсутствием оснований в итоге отпускают обоих и дело закрывают! Известно много случаев, таких безвыходных для полиции, но очень выгодных для преступника ситуаций. Например, в Бельгии в 2015 году два брата-близнеца ехали по улице на велосипедах. Один из них упал, над ним засмеялся прохожий. Упавший разозлился и ударил «обидчика». А второй близнец пытался остановить драку. Полиция так и не смогла определить, кто из близнецов был в какой роли, поэтому никого не наказали и дело закрыли.

Что такое таблица генетического кода?  

В математике при решении некоторых задач используют универсальные таблицы. Например, таблицы Брадиса. В биологии для решения задач на биосинтез белка всегда используют одну незаменимую таблицу — таблицу генетического кода. Это таблица из 64 ячеек, каждая из которых соответствует одному из 64 возможных кодонов. 

Подытожим: 

• В таблице представлен генетический код, общий для большинства про- и эукариот. 
• Приведены все 64 кодона и указаны соответствующие им аминокислоты. 
• Порядок оснований — от 5′- к 3′- концу мРНК. 
• Для удобства иногда используются  трехбуквенные обозначения аминокислот — Лиз (лизин), Арг (аргинин), Гли (глицин) и другие.

Основные правила решения задач 

Какие правила необходимо запомнить для решения задач на биосинтез? В таких задачах очень важно правильное оформление. Запишем основные правила: 1. Триплеты одной молекулы ДНК, иРНК, тРНК или белка нельзя разделять запятой. За такое разделение сразу снимают один балл, считая это биологической ошибкой. Запятой разделяются только антикодоны тРНК, так как они относятся к разным молекулам. Одна молекула тРНК содержит только один антикодон. 2. Нуклеотиды одной молекулы ДНК, иРНК, тРНК можно записывать слитно (АТЦГТАААЦГТЦ) или по триплетам, разделенным тире (АТЦ–ГТА–ААЦ–ГТЦ). Но если все же опасаетесь, что за это, вопреки всему, могут снять балл, пишите слитно без всяких знаков препинания (кроме антикодонов тРНК и аминокислот). 3. Аминокислоты в молекуле белка пишутся через тире (Арг-Мет-Лей-Сер-Асп). 4. Не забывайте о принципе антипараллельности. При записи молекулы обязательно нужно указать штрих-концы, без них молекула будет всегда читаться в направлении от 5’ к 3’ концу. Примеры: — 5’АТЦГТАААЦГТЦ 3’ — если нам нужно записать цепь в направлении от 5’ к 3’; — 3’АТЦГТАААЦГТЦ 5’ — если нам нужно записать цепь в направлении от 3’к 5’. 5. Перед построением новой цепочки обязательно нужно прописывать объяснение своих действий. Что это значит? Это значит, что каждое действие в задаче нам необходимо пояснить, написать, почему мы сделали именно так.  За отсутствие объяснения снимается балл.

Задачи на биосинтез белка могут встретиться в номере 28 второй части ЕГЭ. Они бывают разных типов, поэтому важно знать, как их решать. Ниже рассмотрим алгоритмы решения наиболее часто встречающихся типов задач.

Алгоритм решения задач на определение последовательностей нуклеотидов тРНК и аминокислот

Итак, закрепим полученные знания на практике. Разберем первую задачу на биосинтез белка, где нужно определить ряд последовательностей биологических молекул. 

Задача №1.
Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на котором синтезируется участок тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая).

5’–ТАТЦГАТТЦГЦЦТГА–3’
3’–АТАГЦТААГЦГГАЦТ–5’

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, обозначьте 5’ и 3’ концы этого фрагмента. Какой кодон иРНК будет соответствовать антикодону этой тРНК, если она переносит к месту синтеза белка аминокислоту Глу. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Для начала определимся, что нам дано и что необходимо найти.

Дано: фрагмент молекулы ДНК.

Найти: последовательность тРНК, кодон и антикодон, кодирующие аминокислоту Глу (глутаминовая кислота).

Решение.
Давайте рассуждать. Так как все виды РНК синтезируются по матрице ДНК, мы можем определить последовательность нуклеотидов в тРНК (ведь тРНК тоже РНК): 

По транскрибируемому фрагменту молекулы ДНК определяем последовательность участка тРНК, по принципу комплементарности и с учетом того, что последовательность тРНК строится антипараллельно цепи ДНК:

ДНК: 3’–АТА–ГЦТ–ААГ–ЦГГ–АЦТ–5’
тРНК: 5’–УАУ–ЦГА–УУЦ–ГЦЦ–УГА–3’

Что означает антипараллельность?  Антипараллельность — комплементарные нити двойной спирали ДНК проходят в противоположных направлениях рядом друг с другом. Аналогично, синтез последовательности тРНК идет в противоположном от транскрибируемой цепи ДНК направлении. Это правило справедливо для всех молекул. Если цепь от 5’ к 3’, то синтез будет идти от 3’ к 5’ и наоборот. Для тРНК это всегда направление от 5’ к 3’.

Мы нашли последовательность тРНК, теперь найдем кодоны иРНК, которые могут кодировать аминокислоту Глу. Для этого воспользуемся таблицей генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Красным цветом мы выделили аминокислоту Глу, найдем кодоны иРНК, которые ее кодируют. Соединим буквы из левой колонки, сверху и из правой, получаем два варианта кодонов: 5’–ГАА–3’ и 5’–ГАГ–3’. Здесь мы тоже отмечаем антипараллельность.

Теперь необходимо определить комплементарные триплеты тРНК, они будут строиться от 3’ к 5’ концу: 3’–ЦУУ–5’ и 3’–ЦУЦ–5’.

Комплементарность — это правило, которое мы должны использовать в генетических задачах, подробнее о нем говорилось в статье «Взаимодействие аллельных и неаллельных генов». Оно гласит, что нуклеотиды соединяются по следующим принципам: аденин будет комплементарен тимину, а цитозин — гуанину (это справедливо для ДНК). В РНК есть небольшая особенность: вместо тимина там урацил, поэтому когда мы строим какую-либо РНК, не забываем о том, что в ее молекуле аденину комплементарен урацил.

Но это еще не антикодоны, так как мы помним, что для тРНК направление всегда от 5’ к 3’. Поэтому мы как бы переворачиваем триплеты и получаем 5’–УУЦ–3′; 5’–ЦУЦ–3′. 

В конце необходимо сравнить данные антикодоны с цепью тРНК, полученной в самом начале. 

тРНК: 5’–УАУ–ЦГА–УУЦ–ГЦЦ–УГА–3’

У нас есть подходящий антикодон тРНК: 5’–УУЦ–3‘. Получается кодон иРНК, соответствующий 5’–УУЦ–3‘ это 5’–ГАА–3’.

Ответ на задачу №1 будет состоять из трех пунктов:

1. Последовательность тРНК, синтезированная на ДНК-матрице по принципам комплементарности и антипараллельности:

тРНК: 5’–УАУ–ЦГА–УУЦ–ГЦЦ–УГА–3’.

2. Антикодон тРНК, переносящий аминокислоту Глу – 5’–УУЦ–3′.

3. Кодон иРНК, соответствующий антикодону тРНК – 5’–ГАА–3’.

А сейчас попробуем решить другую задачу.

 Алгоритм решения задач с участием центральной петли тРНК

Задача №2.
Все виды РНК синтезируются на ДНК–матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов:

5’ − ЦГААГГТГАЦААТГТ −3′
3’ − ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА −5′

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Как и в предыдущей задаче определим дано и то, что необходимо найти.

Дано: фрагмент молекулы ДНК.

Найти: последовательность центральной петли тРНК и аминокислоту, которую переносит этот антикодон.

Решение.
По условиям задачи ВСЕ виды РНК синтезируются на ДНК-матрице (как и в предыдущей), поэтому ничего нам не мешает образовать последовательность тРНК по принципу комплементарности и с учетом антипараллельности:

ДНК: 3’–ГЦТ–ТЦЦ–АЦТ–ГТТ–АЦА–5’
тРНК: 5’–ЦГА–АГГ–УГА–ЦАА–УГУ–3’

Находим третий триплет — для нашего удобства мы выделим его красным цветом. Это наш антикодон, необходимо найти для него кодон иРНК, но не забываем об  антипараллельности. Сначала произведем запись антикодона УГА в обратном порядке от 3’ → к 5’ получим 3’–АГУ– 5’, но мы знаем, что иРНК должна располагаться в направлении от 5’ к 3’ концу, поэтому получаем кодон иРНК: 5’–УЦА–3′.

Остался последний шаг: с помощью таблицы генетического кода обнаруживаем, что кодон УЦА соответствует аминокислоте Сер (серин), значит, ее и будет переносить центральная петля тРНК.

Ответ на задачу №2 будет состоять из следующих пунктов:

1. Последовательность тРНК, синтезированная на ДНК-матрице по принципам комплементарности и антипараллельности:

тРНК: 5’–ЦГА–АГГ–УГА–ЦАА–УГУ–3’.

2. Антикодон центральной петли тРНК:  5’– УГА–3’, кодон иРНК, соответствующий данному антикодону 5’–УЦА–3′.

3. Аминокислота, переносимая этим кодоном — серин.

 Алгоритм решения задач с заменой нуклеотида

Наконец, разберем третий тип задач на биосинтез белка. В них есть небольшой подвох — замена какого-либо нуклеотида в последовательности.

Задача № 3.
Исходный фрагмент молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь — смысловая, нижняя — транскрибируемая):

5’ – ЦГТАТАГЦГТАТАТЦ – 3’
3’ – ГЦАТАТЦГЦАТАТАГ – 5’

В результате замены одного нуклеотида в ДНК вторая аминокислота во фрагменте полипептида заменилась на аминокислоту Тре. 

Определите аминокислоту, которая кодировалась до мутации. Какие изменения произошли в ДНК, иРНК в результате замены одного нуклеотида? Благодаря какому свойству генетического кода одна и та же аминокислота у разных организмов кодируется одним и тем же триплетом? Ответ поясните. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода.

Задачка на первый взгляд кажется довольно объемной и трудной, но мы сейчас последовательно во всем разберемся.

Дано: исходный фрагмент молекулы ДНК.

Найти: 1) аминокислоту, которая кодировалась вторым триплетом до мутации; 2) изменения в ДНК и иРНК после мутации; 3) свойство ген.кода.

Решение.
Определим кодон иРНК, соответствующий второму триплету ДНК до мутации. По принципу комплементарности и с учетом антипараллельности кодон иРНК, соответствующий триплету 3’– ТАТ–5’ будет являться 5’–АУА–3’. По таблице генетического кода выясняем, что данный кодон кодирует аминокислоту Иле (изолейцин), значит, именно ее кодировала ДНК до мутации.

Какие изменения произошли с ДНК и иРНК вследствие замены нуклеотида?
По условию задачи после мутации аминокислота изолейцин заменилась на треонин (Тре). По таблице генетического кода аминокислоте Тре могут соответствовать следующие триплеты: АЦУ, АЦЦ, АЦА, АЦГ. Но из всех них нам подходит только триплет АЦА, так как мы знаем, что в результате мутации произошла замена только одного нуклеотида. Значит, во фрагменте ДНК во втором триплете смысловой цепи АТА второй нуклеотид Т заменился на Ц (в транскрибируемой цепи в триплете ТАТ нуклеотид А заменился на Г).

В иРНК во втором кодоне (АУА) нуклеотид У заменился на Ц (АЦА), из-за этого произошла замена аминокислоты Иле (изолейцин) на аминокислоту Тре (треонин) в полипептидной цепи.

Благодаря свойству универсальности одна и та же аминокислота кодируется одним и тем же триплетом у самых разных живых организмов.

Ответ на задачу №3:
1. До мутации: Кодон иРНК, соответствующий антикодону иРНК — 5’–АУА–3. По таблице генетического кода данный кодон кодирует аминокислоту Иле.

2. После мутации: в иРНК во втором кодоне (АУА) нуклеотид У заменился на Ц (АЦА), из-за этого произошла замена аминокислоты Иле на аминокислоту Тре в полипептидной цепи.

3. Свойство универсальности — кодирование одинаковых аминокислот триплетами у разных видов живых организмов.

На этом наш практикум подходит к концу, мы проделали большую работу и разобрали самые важные виды задач. 

Фактчек

• Самое главное в решении задач на биосинтез — аккуратность, внимательность и перепроверка полученных ответов.
• Если в задаче сказано, что молекула ДНК является матрицей для всех видов РНК, то с нее можно синтезировать как тРНК, так и иРНК напрямую.
• Не забывайте о принципах комплементарности и антипараллельности при решении задач.
• Для удобства вашего и эксперта, который будет проверять работу, записывайте структуру задачи: дано, найти, решение и ответ.

Проверь себя

Задание 1.
О чем закодирована информация в гене?

1. О строении белков, жиров и углеводов.
2. О первичной структуре белка.
3. О последовательности нуклеотидов в ДНК.
4. О последовательности аминокислот в 2-х и более молекулах белков.

Задание 2.
Что образуется при репликации молекулы ДНК?

1. Нить, распавшаяся на отдельные фрагменты дочерних молекул.
2. Молекула, состоящая из двух новых цепей ДНК.
3. Молекула, половина которой состоит из нити иРНК.
4. Дочерняя молекула, состоящая из одной старой и одной новой цепи ДНК.

Задание 3.
Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая).

5’–ЦГААГГТГАЦААТГТ–3’
3’–ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА–5’

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, обозначьте 5’ и 3’ концы этого фрагмента и определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет с 5’ конца соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Ответы: 1. — 2; 2. — 4;
3. — Нуклеотидная последовательность участка тРНК, синтезированная по ДНКтр по принципам комплементарности и антипараллельности.
тРНК: 5’–ЦГА–АГГ–УГА–ЦАА–УГУ–3’

• Нуклеотидная последовательность антикодона УГА соответствует кодону на иРНК УЦА.
• По таблице генетического кода этому кодону соответствует аминокислота серин, которую будет переносить данная тРНК.