Решение задач на биосинтез белка

При решении задач на биосинтез белка в качестве справочного материала прилагается таблица генетического кода по иРНК. В ней указано, какие аминокислоты кодируются теми или иными триплетами.

Правила пользования этой таблицей просты: первый нуклеотид из триплета берется из первого столбца, второй — из верхней строки, третий — из последнего столбца; на их пересечении окажется трехбуквенное обозначение аминокислоты, кодируемой данным кодоном. Прочерки соответствуют «стоп-кодонам».

Также стоит отметить, что в формулировке задач все фрагменты нуклеиновых кислот по умолчанию записываются в направлении от 5’-конца к 3’-концу (если не указано иное). При оформлении решения все штрих-концы прописываются в явной форме.

Смысловая цепь ДНК и иРНК записываются в направлении 5’ → 3’, транскрибируемая цепь ДНК и последовательность антикодонов тРНК — в направлении 3’ → 5’. Обращай на это внимание, т. к., если записать нуклеотиды в обратном порядке, то решение окажется неверным!

• Если в формулировке задания в явном виде не указаны штрих-концы нуклеиновых кислот, то по умолчанию предполагается направление 5’ → 3’.

  То есть формулировка «Молекулы тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем порядке: АУА, ГАЦ, ЦГЦ, ЦЦА» эквивалентна формулировке «Молекулы тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем порядке: 5’-АУА-3’, 5’-ГАЦ-3’, 5’-ЦГЦ-3’, 5’-ЦЦА-3’».

• При оформлении решения задачи смысловая цепь ДНК и иРНК всегда записываются в направлении 5’ → 3’; транскрибируемая цепь ДНК и антикодоны тРНК всегда записываются в направлении 3’ → 5’.

• Триплеты ДНК, кодоны иРНК, аминокислотные остатки пептида не разделяются пробелами, запятыми, точками и иными знаками препинания. Это биологическая ошибка! За нее за задачу снижают 1 балл. Допускается разделение триплетов, кодонов и аминокислотных остатков дефисом (т. к. это соответствует химической связи между ними).

• Между антикодонами тРНК не допускается ставить дефисы. Это биологическая ошибка! За нее за задачу снижают 1 балл. Допускается разделение антикодонов тРНК запятыми или точкой с запятой.

• Обязательно указание штрих-концов для всех фрагментов нуклеиновых кислот, если это подразумевает условие задачи или ее вопрос. Отсутствие штрих-концов является биологической ошибкой, за задачу снижают 1 балл.

Задачи I типа

Установление пептидной последовательности по известной последовательности нуклеотидов ДНК. Замена аминокислоты в пептиде

Условие задачи

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’-концу в одной цепи соответствует 3’-конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’-конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’- к 3’-концу. Фрагмент гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная, транскрибируемая):

5’ – А Т Т Ц Г Г А Т Ц Г Г Ц А Т Т – 3’

3’ – Т А А Г Ц Ц Т А Г Ц Ц Г Т А А – 3’

В результате точечной мутации вторая аминокислота заменилась на аминокислоту Гли. Определить аминокислоту, которая кодировалась до мутации, а также последовательность ДНК после мутации. Объяснить последовательность своих действий. Для выполнения задания используй таблицу генетического кода. Благодаря какому свойству генетического кода данный фрагмент ДНК будет кодировать одинаковый фрагмент белка и в клетках растений, и в клетках животных? Ответ пояснить. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение (1 способ)

1. Выписываем последовательность нуклеотидов ДНК из условия задачи.

   5’ – А Т Т Ц Г Г А Т Ц Г Г Ц А Т Т – 3’

   3’ – Т А А Г Ц Ц Т А Г Ц Ц Г Т А А – 3’

2. Составляем последовательность кодонов иРНК (по принципу комплементарности матричной цепи или просто переписываем смысловую цепь вместе со штрих-концами, меняя Т на У).

   5’ – А У У Ц Г Г А У Ц У Г Ц А У У – 3’

3. Составляем фрагмент пептида, используя таблицу генетического кода:

   Иле-Арг-Иле-Цис-Иле

   Вторая аминокислота в пептиде — Арг

4. Аминокислоте Гли (см. условие задачи) соответствуют кодоны иРНК 5’-ГГУ-3’, 5’-ГГЦ-3’, 5’-ГГА-3’, 5’-ГГГ-3’, а изначальная аминокислота Арг кодировалась кодоном 5’-ЦГГ-3’. Значит, произошла замена первой пары нуклеотидов в изначальном триплете молекулы ДНК, т.к. из кодона 5’-ЦГГ-3’ в результате точечной замены можно получить только кодон 5’-ГГГ-3’.

5. ДНК после мутации имеет последовательность:

   5’ – А Т Т Г Г Г А Т Ц Г Г Ц А Т Т – 3’

   3’ – Т А А Ц Ц Ц Т А Г Ц Ц Г Т А А – 3’

6. Свойство генетического кода — универсальность: генетический код одинаков у всех живых организмов.

Решение (2 способ)

Так как в задаче речь идет о замене только одной аминокислоты, то не обязательно восстанавливать пептидную последовательность полностью, достаточно только проанализировать второй триплет молекулы ДНК.

1. Второй триплет смысловой цепи ДНК: 5’-Ц Г Г-3’ (соответствующий триплет матричной цепи — 3’-Г Ц Ц-5’)

2. Кодон иРНК: 5’-Ц Г Г-3’

3. До мутации — аминокислота Арг

4. Аминокислоте Гли (см. условие задачи) соответствуют кодоны иРНК 5’-ГГУ-3’, 5’-ГГЦ-3’, 5’-ГГА-3’, 5’-ГГГ-3’, а изначальная аминокислота Арг кодировалась кодоном 5’-ЦГГ-3’. Значит, произошла замена первой пары нуклеотидов в изначальном триплете молекулы ДНК, т. к. из кодона 5’-ЦГГ-3’ в результате точечной замены можно получить только кодон 5’-ГГГ-3’.

   или, если записать короче (как в ключе у эксперта, опуская рассуждения),

   аминокислоте Гли соответствует кодон 5’-ГГГ-3’.

5. ДНК после мутации имеет последовательность:

   5’ – А Т Т Г Г Г А Т Ц Г Г Ц А Т Т – 3’

   3’ – Т А А Ц Ц Ц Т А Г Ц Ц Г Т А А – 3’

6. Свойство генетического кода — универсальность: генетический код одинаков у всех живых организмов.

Задачи II типа

Установление пептидной последовательности по известной последовательности нуклеотидов ДНК с поиском начала информативной части гена

Условие задачи

Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь — смысловая, нижняя — транскрибируемая):

5’ – Т А А Т Г А Ц Ц Г Ц А Т А Т А Т Ц Ц А Т – 3’

3’ – А Т Т А Ц Т Г Г Ц Г Т А Т А Т А Г Г Т А – 5’

Ген содержит информативную и неинформативную части для трансляции. Информативная часть гена начинается с триплета, кодирующего аминокислоту Мет. С какого нуклеотида начинается информативная часть гена? Определить последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. Ответ пояснить. Для выполнения задания используй таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. Находим цепь иРНК по принципу комплементарности:

   5’ – У А А У Г А Ц Ц Г Ц А У А У А У Ц Ц А У – 3’

2. Аминокислоте Мет соответствует кодон 5’-АУГ-3’, следовательно информативная часть гена начинается с третьего нуклеотида ДНК (с нуклеотида А смысловой цепи или с нуклеотида Т транскрибируемой цепи).

3. Последовательность аминокислот находим по кодонам иРНК в таблице генетического кода: Мет-Тре-Ала-Тир-Иле-Гис.

Задачи III типа

Установление нуклеотидной последовательности тРНК, синтезируемой на матрице ДНК, и переносимой ею аминокислоты

Условие задачи

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5ʹ-концу в одной цепи соответствует 3ʹ-конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5ʹ-конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5ʹ- к 3ʹ-концу. Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная):

5ʹ – Ц Г А А Г Г Т Г А Ц А А Т Г Т – 3ʹ

3ʹ – Г Ц Т Т Ц Ц А Ц Т Г Т Т А Ц А – 5ʹ

Установить нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и определить аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет с 5ʹ-конца соответствует антикодону тРНК. Ответ пояснить. Для решения задания используй таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. Находим последовательность центрального участка цепи по принципу комплементарности:

   5ʹ - Ц Г А А Г Г У Г А Ц А А У Г Т - 3ʹ.

2. Антикодон — третий триплет с 5’-конца: 5’-УГА-3’; это соответствует кодону 5’-УЦА-3’ молекулы иРНК (помни про то, что кодоны иРНК и антикодоны тРНК антипараллельны!).

3. По таблице генетического кода находим аминокислоту, которую будет переносить данная тРНК; это аминокислота Сер.

Задачи IV типа

Установление аминокислотной последовательности вирусного белка РНК-содержащего вируса

Условие задачи

Некоторые вирусы в качестве генетического материала несут РНК. Такие вирусы, заразив клетку, встраивают ДНК-копию своего генома в геном хозяйской клетки. В клетку проникла вирусная РНК следующей последовательности:

5’ – Г А У Ц Г А У Г Ц А У Г Ц У У – 3’.

Определить, какова будет последовательность вирусного белка, если матрицей для синтеза иРНК служит цепь, комплементарная вирусной РНК. Напиши последовательность двуцепочечного фрагмента ДНК, укажи 5’ и 3’ концы цепей. Ответ поясни. Для решения задания используй таблицу генетического кода.

Решение:

1. По принципу комплементарности находим нуклеотидную последовательность участка ДНК:

   5’ – Г А Т Ц Г А Т Г Ц А Т Г Ц Т Т – 3’ — смысловая цепь.

   3’ – Ц Т А Г Ц Т А Ц Г Т А Ц Г А А – 5’ — транскрибируемая цепь.

2. По принципу комплементарности находим нуклеотидную последовательность участка иРНК:

   5’ – Г А У Ц Г А У Г Ц А У Г Ц У У – 3’.

3. По таблице генетического кода определяем последовательность вирусного белка: Асп-Арг-Цис-Мет-Лей.

Задачи V типа

Установление аминокислотной последовательности белка по известному порядку вхождения тРНК в рибосому

Условие задачи

Молекулы тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем порядке: ГУА, УАЦ, УГЦ, ГЦА. Определить последовательность нуклеотидов смысловой и транскрибируемой цепей ДНК, иРНК и аминокислот в молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ пояснить. Для решения задачи используй таблицу генетического кода. При выполнении задания учитывай, что антикодоны тРНК антипараллельны кодонам иРНК. При написании нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. Так как антикодоны тРНК антипараллельны кодонам иРНК, то для определения последовательности иРНК по принципу комплементарности антикодоны необходимо «развернуть»:

   тРНК: 3’-АУГ-5’; 3’-ЦАУ-5’; 3’-ЦГУ-5’; 3’-АЦГ-5’;

   иРНК: 5’ - У А Ц Г У А Г Ц А У Г Ц - 3’.

2. Также по принципу комплементарности определим последовательность нуклеотидов ДНК:

   3’ - А Т Г Ц А Т Ц Г Т А Ц Г - 5’ — транскрибируемая цепь;

   5’ - Т А Ц Г Т А Г Ц А Т Г Ц - 3’ — смысловая цепь.

3. По таблице генетического кода и кодонам иРНК находим аминокислотную последовательность аминокислот в пептиде: Тир-Вал-Ала-Цис.

Задачи VI типа

Установление смысловой (кодирующей) цепи ДНК

Помним, в чем роль смысловой цепи: при транскрипции с матрицы транскрибируемой цепи получается иРНК. Она — точная копия смысловой цепи, только Т заменяется на У, а также используются рибонуклеотиды.

Условие задачи

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (к 5’ концу в одной цепи соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5 до 3. Фрагмент гена имеет следующую последовательность:

5’ - Ц А Г Ц Г Ц Т Т Г Ц А Т Г Ц А Т А Т - 3’

3’ - Г Т Ц Г Т Г А А Ц Г Т А Ц Г Т А Т А - 5’

Определить, какая из цепей ДНК является смысловой (кодирующей), если известно, что фрагмент полипептида, кодируемый этим участком гена, начинается с аминокислоты глн. Определить последовательность аминокислот в пептиде, кодируемом этим геном. Объяснить последовательность действий. Для решения задания используй таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. Определяем, какой кодон соответствует аминокислоте Глн по таблице. Это кодон 5’-ЦАГ-3’ (ЦАГ в таблице).

2. Ищем 5’-ЦАГ-3’ во фрагменте цепи. В задаче в примере с него начинается верхняя цепь, поэтому она будет кодирующей, или можно сказать, что этот кодон комплементарен последовательности ДНК 3’-ГТЦ-5’, поэтому нижняя — транскрибируемая.

3. Составляем последовательность кодонов иРНК (по принципу комплементарности матричной цепи, или просто переписываем смысловую цепь вместе со штрих-концами, меняя Т на У):

   5’ - Ц А Г Ц Г Ц У У Г Ц А У Г Ц А У А У - 3’

4. По таблице генетического кода и иРНК находим последовательность аминокислот: глн-арг-лей-гис-ала-тир.

Задачи VII типа

Установление последовательности аминокислот во фрагменте полипептидной цепи

Условие задачи

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5' концу одной цепи соответствует 3' конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5' конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5' - А Т Ц А Т Г Т А Т Г Г Ц Т А Г А Г Ц. Т А Т Т - 3'

3' - Т А Г Т А Ц А Т А. Ц Ц Г А Т Ц Т Ц Г А Т А А - 5'

Определить последовательность аминокислот во фрагменте начала полипептидной цепи, объяснить последовательность решения задачи. При ответе учитывай, что полипептидная цепь начинается с аминокислоты Мет. Известно, что итоговый фрагмент полипептида, кодируемый этим геном, имеет длину более четырех аминокислот. Для выполнения задания используй таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. Определяем последовательность иРНК по принципу комплементарности:

   5' - А У Ц А У Г У А У Г Г Ц У А Г А Г Ц У А У У - 3';

2. Находим, какой кодон соответствует аминокислоте мет - 5'-АУГ-3' (АУГ);

3. Однако при синтезе первого кодона 5'-АУГ-3' (АУГ) фрагмент полипептида обрывается (в рамке считывания присутствует стоп-кодон);

4. Значит, синтез фрагмента полипептида начинается со второго кодона 5'-АУГ-3' (АУГ) (синтез начинается с восьмого нуклеотида);

5. Последовательность аминокислот во фрагменте полипептида находим по таблице генетического кода: мет-ала-арг-ала-иле.

Задачи VIII типа

Установление верной открытой рамки считывания

Условие задачи

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5' концу одной цепи соответствует 3' конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5' конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Кодирующая область гена называется открытой рамкой считывания. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5' - Ц А Т Г Г Ц А Т Г А Т А Т А Ц Г Ц Г Ц Ц А Г - 3’

3' - Г Т А Ц Ц Г Т А Ц Т А Т А Т Г Ц Г Ц Г Г Т Ц - 5’

Определить верную открытую рамку считывания и найти последовательность аминокислот во фрагменте начала полипептидной цепи. При ответе учитывай, что полипептидная цепь начинается с аминокислоты Мет. Известно, что итоговый полипептид, кодируемый этим геном, имеет длину более четырех аминокислот. Объяснить последовательность решения задачи. Для выполнения задания используй таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. по принципу комплементарности находим последовательность иРНК:

   5' - Ц А У Г Г Ц А У Г А У А У А Ц Г Ц Г Ц Ц А Г - 3’;

2. находим, какой кодон соответствует аминокислоте мет: 5'-АУГ-3' (АУГ);

3. таких кодонов два, синтез начинается со второго из них (с 7-го нуклеотида);

4. потому что при синтезе с первого кодона 5'-АУГ-3' (АУГ) (со 2-го нуклеотида) полипептид обрывается (в рамке считывания присутствует стоп-кодон);

5. последовательность полипептида: мет-иле-тир-ала-про.

Если в явном виде на иРНК указано место начала синтеза полипептида (подчеркнут или обведен первый триплет, указан стрелкой первый нуклеотид и т. п.), третий элемент ответа засчитывается как верный.

Если на последовательности иРНК в явном виде отмечена рамка считывания и указан стоп-кодон, четвертый элемент ответа засчитывается как верный.

Аналогично, третий и четвертый элементы ответа засчитываются, если место начала синтеза и/или рамка считывания отмечены на исходной молекуле ДНК.

Задачи IX типа

Установление верной открытой рамки считывания без наличия старт-кодона

Условие задачи

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5' концу одной цепи соответствует 3' конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5' конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Кодирующая область гена называется открытой рамкой считывания. Фрагмент гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5' - Т А Т Г Г А Ц Т А А Ц А Г А Г Ц Т А. Ц Ц Т Т Ц Т А А Ц Г - 3’

3' - А Т А Ц Ц Т Г А Т Т Г Т Ц Т Ц Г А Т Г Г А А Г А Т Т Г Ц - 5’

Определить верную открытую рамку считывания и найти последовательность аминокислот во фрагменте начала полипептидной цепи. Известно, что итоговый фрагмент полипептида, кодируемый этим геном, имеет длину более четырех аминокислот. Объяснить последовательность решения задачи. Для выполнения задания используй таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывай направление цепи.

Решение:

1. По принципу комплементарности находим последовательность иРНК:

   5' - У А У Г Г А Ц У А А Ц А Г А Г Ц У А Ц Ц У У Ц У А А Ц Г - 3’ ;

2. Находим, какой стоп-кодон на цепи иРНК:

   5' - У А У Г Г А Ц У А А Ц А Г А Г Ц У А Ц Ц У У Ц У А А Ц Г - 3’;

3. Таких кодонов два (оба УАА), синтез заканчивается на втором из них;

4. Потому что при окончании синтеза синтезе на первом стоп-кодоне фрагмент полипептида имеет длину менее 4 аминокислот;

5. Отсчитываем триплеты от второго стоп-кодона:

   5' - УА-УГГ-АЦУ-ААЦ-АГА-ГЦУ-АЦЦ-УУЦ-УААЦГ - 3’;

6. Последовательность полипептида: асн-арг-ала-тре-фен.