Решение задач по молекулярной биологии

РЕАКЦИИ МАТРИЧНОГО СИНТЕЗА
На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество копий. В основе лежит комплементарное взаимодействие между нуклеотидами.
Репликация ДНК Самоудвоение молекулы ДНК
Транскрипция Считывание информации с ДНК на иРНК
Трансляция Синтез белка с иРНК
Обратная транскрипция Синтез ДНК на матрице вирусной РНК
(ДНК штамп для РНК; РНК штамп для БЕЛКА)

Центральная догма молекулярной биологии
правило реализации генетической информации
ДНК – РНК – БЕЛОК
ген иРНК (мРНК), тРНК, рРНК фен

Наименование атомов углерода в нуклеотидах (исходя из нумерации атомов углерода в молекуле сахара пентозы) дает начало двум концам — 5' и 3‘. Обычно запись последовательностей нуклеотидов ДНК и РНК осуществляется в направлении от 5' к 3'.

кодон
антикодон

ПРАВИЛА
1) комплементарности: А-Т(У), Г-Ц
2) антипараллельности: рядом с 5'-концом одной цепи всегда лежит 3'-конец другой (комплементарной) цепи
3) для работы с таблицей генетического кода нужна иРНК, повёрнутая 5'-концом влево
4) рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу (иРНК транслируется с 5'-конца)
5) смысловая (кодирующая) ДНК и информационная РНК одинаковы, только надо Т мысленно заменять на У
6) транскрипция идет в направлении от 3' к 5' , а трансляция от 5' к 3'
7) АУГ (Мет) – начало гена; стоп – УАА, УАГ, УГА

Генетический код
(иРНК от 5'- к 3'-концу)
5
3

«ЗНАКИ» Правила записей в задачах
1) ДНК, иРНК, так как это одна молекула, то записываем без пробелов;
2) Белок (последовательность аминокислот): записываем через «тире»;
3) тРНК. Так как это антикодоны разных тРНК, то записываем их через запятую «,» или «;»
4) В заданиях-исключениях (начинаются со слов «Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице…») тРНК записываем БЕЗ запятых (т.к. речь идёт об одной молекуле тРНК, а не разных);
5) Всегда указываем штрих-концы и названия молекул.

6) В ответах или в условиях задачи запись всех одиночных цепей нуклеиновых кислот, кодонов иРНК, антикодонов тРНК;
пишут по умолчанию от 5’ к 3’ концу;
7) в таблице ГК первый нуклеотид всегда 5-штрих конец (5’);
8) в условии задачи смысловая и матричная цепи могут начинаться как с 5’ , так и с 3’ конца. Если в одиночной цепи, кодоне, антикодоне штрих-концы не указаны, значит начало 5”

Названия цепей ДНК
5 Кодирующая 3 = 5 Смысловая 3 = 5 Нетранскрибируемая 3 – они соответствуют иРНК (только Т замени на У)
3 Матричная 5 = 3 Антисмысловая 5 = 3 Транскрибируемая 5 – с них списывают РНК (по ПК)

Принцип комплементарности (ПК):
А-Т (У), Г-Ц
(во всех молекулах РНК азотистое основание Тимин заменяется на Урацил):
ДНК 1 цепь А Т Г Ц
ДНК 2 цепь Т А Ц Г
РНК А У Г Ц (это может быть как иРНК, так и тРНК)
РНК У А Ц Г (это может быть как иРНК, так и тРНК)

Алгоритмы

Для стандартных задач
(то есть кроме тех, которые начинаются со слов: «Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК…»)
ДНК смысловая (кодирующая) 5’ 3’
ДНК транскрибируемая (матричная) 3’ 5’ (по ПК)
иРНК 5’ 3’ (по ПК !!У)=
тРНК 3’ 5’ (по ПК !!У)
белок (по ГК иРНК! 5’3’!)

Примеры решения задач
Начинаем решение задач с анализа условия!
Задача №1
№ 1. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, если исходный фрагмент молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая). Ответ обоснуйте.
5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г Т Т Т Т-3’
3’- Г Т Г Ц Ц Г Т Ц А А А А -5’

1) Записать заготовку. Записать то, что дано по задаче напротив соответствующего пункта (в данном случае это двуцепочечная молекула ДНК):
ДНК смысл 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г Т Т Т Т-3’
ДНК транскр 3’- Г Т Г Ц Ц Г Т Ц А А А А -5’
иРНК
тРНК
белок

2) По ПК к молекуле ДНК строим молекулу иРНК, записываем и подчеркиваем цепь (так как именно по иРНК мы с помощью таблицы ГК будем позже искать последовательность АК в белке):
ДНК смысл 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г Т Т Т Т- 3’
ДНК транскр 3’- Г Т Г Ц Ц Г Т Ц А А А А -5’
иРНК 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г У У У У- 3’
тРНК
белок

3) По ПК к кодонам иРНК находим антикодоны тРНК (! пишем через запятую!). Не забывайте, что в ответе нужно будет записать молекулы тРНК в направлении от 5’ к 3’ концу – нужно разворачивать каждый антикодон, потому что это отдельные цепи: 5’- Г У Г, Г Ц Ц, А Ц У, А А А -3’
ДНК смысл 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г Т Т Т Т-3’
ДНК транскр 3’- Г Т Г Ц Ц Г Т Ц А А А А -5’
иРНК 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г У У У У -3’
тРНК 3’- Г У Г-5, 3-Ц Ц Г-5, 3-У Ц А-5, 3-А А А-5’
белок

4) Находим последовательность АК в белке с помощью таблицы ГК, используя кодоны иРНК:
ДНК смысл 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г Т Т Т Т-3’
ДНК транскр 3’- Г Т Г Ц Ц Г Т Ц А А А А -5’
иРНК 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г У У У У -3’
тРНК 3’- Г У Г, Ц Ц Г, У Ц А, А А А 5’
белок: гис – гли – сер - фен

5) После схемы пишем ОТВЕТ - поясняем каждое свое действие, так как это просят в задании «Ответ обоснуйте»:
1. По принципу комплементарности к транскрибируемой цепи ДНК (дана по задаче) находим кодоны иРНК: 5’- Ц А Ц Г Г Ц А Г У У У У -3’
2. По ПК к кодонам иРНК находим антикодоны тРНК: 5’-Г У Г-3’, 5-Г Ц Ц-3, 5-А Ц У-3, 5-А А А-3’
3. С помощью таблицы генетического кода по кодонам иРНК находим последовательность АК в белке «гис – гли – сер – фен»;

Задача №2
Антикодоны тРНК поступают к рибосомам в следующей последовательности нуклеотидов ГУА, УАЦ, УГЦ, ГЦА. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, последовательность нуклеотидов смысловой и транскрибируемой цепей ДНК, кодирующих определенный белок и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы синтезируемого белка, используя таблицу генетического кода. Ответ поясните. При выполнении задания учитывайте, что антикодоны тРНК антипараллельны кодонам иРНК.

1) Записываем заготовку. Обращаем внимание на расположение «штрих-концов». В этой задаче сначала нужно перевернуть каждый антикодон.
ДНК смысл 5’- -3’
ДНК транскр 3’- -5’
иРНК 5’- -3’
тРНК 5’- -3’ 3’- -5’
белок

2) Записать то, что дано по задаче напротив соответствующего пункта – в данном случае это молекулы тРНК. Не забывайте, что запись всех одиночных цепей нуклеиновых кислот в условии или ответах идет по умолчанию от 5’ к 3’ концу. Соответственно, для нашей схемы, нужно «перевернуть» КАЖДЫЙ антикодон тРНК (поворачиваем не целиком, так как это отдельные молекулы тРНК).
ДНК смысл 5’- -3’
ДНК транскр 3’- -5’
иРНК 5’- -3’
тРНК 5-ГУА, УАЦ, УГЦ, ГЦА-3; 3’- АУГ, ЦАУ, ЦГУ, АЦГ - 5’
иРНК белок
записываем антикодоны тРНК из условия (по умолчанию, направление 5-3), переворачиваем КАЖДЫЙ антикодон в направление 3-5. По ПК синтезируем иРНК (5-3)

3) По ПК к антикодонам тРНК строим кодоны иРНК, записывем и подчеркиваем цепь (так как именно по иРНК мы с помощью таблицы ГК будем позже искать последовательность АК в белке):
ДНК смысл 5’- -3’
ДНК транскр 3’- -5’
иРНК 5’- УАЦ ГУА ГЦА УГЦ -3’
тРНК 3’- АУГ, ЦАУ, ЦГУ, АЦГ - 5’
белок

4) По ПК к кодонам иРНК находим триплеты транскрибируемой цепи ДНК, а далее по ПК к триплетам транскрибируемой цепи ДНК находим триплеты смысловой цепи ДНК. А также, используя таблицу ГК находим последовательность аминокислот в белке (по кодонам иРНК).
ДНК смысл 5’- ТАЦ ГТА ГЦА ТГЦ -3’
ДНК транскр 3’- АТГ ЦАТ ЦГТ АЦГ -5’
иРНК 5’- УАЦ ГУА ГЦА УГЦ -3’
тРНК 3’- АУГ, ЦАУ, ЦГУ, АЦГ - 5’
белок Тир – Вал – Ала - Цис

5) После схемы пишем ОТВЕТ - поясняем каждое свое действие, так как это просят в задании «Ответ обоснуйте».
1. По принципу комплементарности к антикодонам тРНК (даны по задаче) находим кодоны иРНК: 5’- УАЦ ГУА ГЦА УГЦ -3’
2. По ПК к кодонам иРНК находим триплеты транскрибируемой цепи ДНК, а далее по ПК к триплетам транскрибируемой цепи ДНК находим триплеты смысловой цепи ДНК. Верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая.
ДНК 5’- ТАЦ ГТА ГЦА ТГЦ -3’ (смысловая)
ДНК 3’- АТГ ЦАТ ЦГТ АЦГ -5’ (транскрибируемая)
3. С помощью таблицы генетического кода по кодонам иРНК находим последовательность АК в белке: Тир – Вал – Ала - Цис;

Задача из демоверсии ЕРЭ (ДНР) 2022
(Нестандартная задача на транскрипцию – синтез РНК с ДНК (начинается о слов: «Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице..»)
№27. 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. Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная):
5'-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3'
3'-ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА-5'
Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет с 5'-конца соответствует антикодону тРНК.
При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.
Генетический код (иРНК от 5'- к 3'-концу)

1) Записать заготовку. Записать то, что дано по задаче напротив соответствующего пункта (в данном случае это двуцепочечная молекула ДНК):
ДНК смысл 5'-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3'
ДНК транскр 3'-ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА-5'
тРНК
иРНК
белок

2) По ПК к молекуле тРНК строим молекулу иРНК,
ДНК смысл 5'-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3'
ДНК транскр 3'-ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА-5'
тРНК 5'-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3'
иРНК
белок

3) Для того чтобы найти аминокислоту, нужно воспользоваться таблицей ГК, для этого нужно знать кодон иРНК – находим его по ПК к антикодону тРНК (находим только 1 кодон, третий с 5-конца – другое по задаче НЕ просят и могут снять баллы).
ДНК смысл 5'-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3'
ДНК транскр 3'-ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА-5'
тРНК 5'-ЦГААГГУГАЦААУГУ-3'
иРНК 3'-АЦУ-5'
белок

4) Переворачиваем кодон иРНК в направлении 5-3 и находим соответствующую иРНК аминокислоту по таблице ГК:
ДНК смысл 5'-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3'
ДНК транскр 3'-ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА-5'
тРНК 5'-ЦГААГГУГАЦААУГУ-3'
иРНК 3'-АЦУ-5' иРНК 5'-3‘! 5'-УЦА-3'
Белок сер

5) После пункта 4 пишем ОТВЕТ, поясняя все свои действия.
ОТВЕТ:
1) нуклеотидная последовательность участка тРНК:
5'-ЦГААГГУГАЦААУГУ-3' (который синтезируется на данном фрагменте)
2) нуклеотидная последовательность антикодона УГА (третий триплет) соответствует кодону на иРНК УЦА; (! В направлении 5-3)
3) по таблице генетического кода этому кодону соответствует аминокислота Сер, которую будет переносить данная тРНК

АЛГОРИТМЫ
для решения разных типов задач

1. Когда ДАНА СМЫСЛОВАЯ
(КОДИРУЮЩАЯ) ДНК
5'-ТГЦ-3' смысловая (кодирующая) ДНК
3'-АЦГ-5' матричная (транскрибируемая) ДНК
5'-УГЦ-3' иРНК

2. Когда ДАНА МАТРИЧНАЯ (ТРАНСКРИБИРУЕМАЯ) ДНК, с 5'-конца
5'-АЦГ-3' матричная (транскрибируемая) ДНК
3'-УГЦ-5' иРНК, её надо перевернуть 5'-концом влево:
5'-ЦГУ-3' иРНК

3. Когда ДАНЫ АНТИКОДОНЫ тРНК
5'-АЦГ-3' тРНК, каждый из них надо перевернуть 3'-концом влево:
3'-ГЦА-5'
5'-ЦГУ-3' иРНК

4. Когда ДАНА МАТРИЦА ДЛЯ тРНК КОДИРУЮЩАЯ
5'-ТГЦ-3' смысловая (кодирующая) ДНК
3'-АЦГ-5' матричная (транскрибируемая) ДНК
5'-УГЦ-3' тРНК
3'-АЦГ-5' иРНК, её надо перевернуть 5'-концом влево:
5'-ГЦА-3' иРНК

5. Когда ДАНА МАТРИЦА ДЛЯ тРНК ТРАНСКРИБИРУЕМАЯ, с 5'-конца.
5'-АЦГ-3' матричная (транскрибируемая) ДНК
3'-УГЦ-5' тРНК
5'-АЦГ-3' иРНК

6. Когда ДАНЫ НЕСКОЛЬКО АНТИКОДОНОВ тРНК (задание на правило 4)
5'-АЦГ-3', 5'-УГА-3', 5'-ААУ-3' тРНК каждую надо перевернуть
3'-ГЦА-5', 3'-АГУ-5', 3'-УАА-5' тРНК
5'-ЦГУУЦААУУ-3' иРНК

7. Когда ДАНА ДВОЙНАЯ ЦЕПЬ ДНК, а какая из них кодирующая, какая матричная – неизвестно.
1) берём левый 5'-конец ДНК, мысленно заменяем в нём Т на У и находим аминокислоту по таблице генетического кода
2) берем правый 5'-конец ДНК, мысленно читаем его задом наперед, заменяя Т на У, и находим аминокислоту по таблице генетического кода
3) одна из аминокислот должна совпасть с данной в задании, так находим матричную цепь