9–11Биология

Биосинтез белка: решаем задачи по шагам

Задачи на биосинтез белка стабильно встречаются в ЕГЭ по биологии. Они выглядят как шифровка из букв А, Т, Г, Ц и У, но решаются строго по шагам. Достаточно помнить правило комплементарности и уметь пользоваться таблицей генетического кода, которую дают в задании. Разбираем процесс и две типичные задачи.

Для 9–11 классов, ЕГЭ по биологии.

Как клетка делает белок

Инструкция для белка записана в ДНК, а ДНК хранится в ядре и наружу не выходит. Поэтому клетка сначала снимает с гена рабочую копию, а уже по ней собирает белок. Это два этапа.

  • Транскрипция. В ядре по одной цепи ДНК собирается молекула информационной РНК, иРНК. Её нуклеотиды комплементарны цепи ДНК. Затем иРНК выходит из ядра в цитоплазму.
  • Трансляция. На рибосоме иРНК читается по три нуклеотида. Каждую тройку, кодон, узнаёт транспортная РНК, тРНК, со своим антикодоном. тРНК приносит нужную аминокислоту, и из аминокислот собирается цепочка белка.

Синтез идёт очень быстро. Рибосома присоединяет несколько аминокислот в секунду, и белок средней длины собирается меньше чем за минуту. На одной иРНК одновременно могут работать много рибосом, одна за другой, как поезда на одном пути. Поэтому с одной копии гена клетка получает сразу много одинаковых белков.

Удобная аналогия: ДНК это книга рецептов в библиотеке, которую нельзя выносить. иРНК это ксерокопия одного рецепта. Рибосома это повар, а тРНК помощники, которые подают продукты по списку.

Правила комплементарности

ПереходПары
ДНК → ДНКА–Т, Т–А, Г–Ц, Ц–Г
ДНК → иРНКА→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г
иРНК → тРНКА→У, У→А, Г→Ц, Ц→Г

Главная особенность РНК: вместо тимина Т в ней урацил У. Поэтому напротив аденина ДНК в иРНК встаёт У, а не Т. Это самая частая ошибка в задачах.

Генетический код

Каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов иРНК, кодоном. Всего возможных троек 4³ = 64, а аминокислот 20. Поэтому большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами: это называют вырожденностью кода. Три кодона, УАА, УАГ и УГА, не кодируют аминокислот: это стоп-сигналы, на них синтез заканчивается.

Код универсален: у человека, бактерии и подсолнуха одни и те же кодоны означают одни и те же аминокислоты. Поэтому человеческий ген инсулина можно встроить в бактерию, и она начнёт производить человеческий инсулин. Так его и делают для больных диабетом.

В задании ЕГЭ таблица генетического кода дана. Читают её по иРНК: первый нуклеотид кодона ищут в левом столбце, второй в верхней строке, третий в правом столбце.

Задача 1. От ДНК к белку

Задача

Фрагмент транскрибируемой цепи ДНК: ТАЦ-ГГА-ЦТТ. Определите последовательность иРНК, антикодоны тРНК и аминокислоты фрагмента белка.

иРНК по ДНК: Т→А, А→У, Ц→Г; Г→Ц, Г→Ц, А→У; Ц→Г, Т→А, Т→А. иРНК: АУГ-ЦЦУ-ГАА.

Антикодоны тРНК комплементарны кодонам иРНК: АУГ → УАЦ, ЦЦУ → ГГА, ГАА → ЦУУ.

По таблице генетического кода: АУГ метионин, ЦЦУ пролин, ГАА глутаминовая кислота.

Ответ: иРНК АУГ-ЦЦУ-ГАА; антикодоны УАЦ, ГГА, ЦУУ; белок мет-про-глу.

Заметьте: антикодоны тРНК по буквам совпали с ДНК, только Т заменилось на У. Это не совпадение: тРНК комплементарна иРНК, а иРНК комплементарна ДНК. Двойная комплементарность возвращает к исходной последовательности. Этим удобно проверять себя.

В современных задачах ЕГЭ часто указывают концы цепей, 5′ и 3′. Цепи ДНК и РНК антипараллельны: напротив 5′-конца одной стоит 3′-конец другой. Кодоны иРНК читают от 5′ к 3′. Если в задаче концы даны, сначала стоит записать иРНК с подписанными концами, а потом читать кодоны в правильном направлении.

Задача 2. Расчёты

Задача

Белок состоит из 150 аминокислот. Сколько нуклеотидов в иРНК, кодирующей этот белок, и сколько нуклеотидов в соответствующем участке двуцепочечной ДНК? Сколько молекул тРНК участвовало в синтезе? Стоп-кодон не учитывайте.

Одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами: 150 · 3 = 450 нуклеотидов в иРНК.

Одна цепь ДНК тоже 450 нуклеотидов, двойная 900.

Каждая тРНК приносит одну аминокислоту: 150 молекул тРНК, если считать по одной на каждую аминокислоту.

Ответ: 450 нуклеотидов иРНК, 900 нуклеотидов ДНК, 150 тРНК.

Тонкость: если в условии сказано учитывать стоп-кодон, к иРНК добавляют ещё три нуклеотида. А в реальном гене эукариот есть ещё и некодирующие участки, интроны, которые вырезаются из иРНК. В школьных задачах их обычно не учитывают, если об этом не сказано.

Частые ошибки

  • Ставят Т в иРНК вместо У.
  • Ищут аминокислоту в таблице по кодону ДНК или по антикодону тРНК. Таблицу читают только по иРНК.
  • Путают, какая цепь ДНК транскрибируемая. Если сказано, что дана смысловая цепь, то иРНК совпадает с ней по буквам, только Т меняется на У.
  • Забывают про стоп-кодон, если в задаче он есть: на нём белок заканчивается, даже если дальше есть нуклеотиды.

Строение ДНК и правило Чаргаффа разобраны в статье о ДНК, а как учёные научились предсказывать форму готового белка, в статье об AlphaFold.

Разберём на занятии

Занимаемся по всем школьным предметам с 4 по 11 класс: живые занятия, общая доска и домашка, которую проверяет тот же преподаватель.

Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.

Частые вопросы

Где идёт транскрипция у бактерий, если у них нет ядра?

Прямо в цитоплазме. У бактерий ДНК лежит свободно, и рибосомы могут начать читать иРНК, пока её ещё достраивают. В задачах ЕГЭ обычно речь идёт о клетках с ядром, но этот вопрос иногда встречается в теоретических заданиях.

Почему кодон состоит из трёх нуклеотидов, а не из двух?

Пар из четырёх букв всего 4 · 4 = 16, а аминокислот 20. Двух букв не хватает. Троек уже 64, этого с запасом.

Что будет, если в ДНК заменится одна буква?

Это точечная мутация. Иногда она ничего не меняет, если новый кодон кодирует ту же аминокислоту. Иногда меняет одну аминокислоту, как при серповидноклеточной анемии. А если появился стоп-кодон, белок обрывается.