Биология. Биосинтез белка. Полный практический курс для самостоятельной подготовки к заданиям №3 и №27

Егор Николаевич Советников, 2022

Задачи на биосинтез белка приносят до 4 первичных баллов на ЕГЭ. Для изучения биосинтеза белка требуются базовые знания цитологии, которые представлены в книге. Книга репетитора с многолетним стажем позволит вам научиться решать задания №3 и №27 с нуля. В данной книге используется подход step-by-step: пошаговое и поэтапное погружение в тему, начиная с самых простых заданий, заканчивая заданиями олимпиадного уровня. Книга поможет самостоятельно изучить теоретические основы биосинтеза белка и научиться решать задания №3 и №27.

Раздел 1. Основы и решение задания №3

Устройство ДНК и РНК

Весь процесс биосинтеза белка можно представить в виде простой схемы, называемой центральной догмой молекулярной биологии:

ДНК → РНК → Белок

Задача данного раздела — разобрать структурные элементы схемы (ДНК, РНК, белок) и процессы, объединяющие систему (стрелочки).

ДНК и РНК — это полимеры (нуклеиновые кислоты), состоящие из мономеров (нуклеотидов).

Каждый мономер (нуклеотид) состоит из трех частей: азотистого основания, пентозы, фосфатной группы.

Азотистые основания — сложные циклические соединения, содержащие в своем составе азот. Знать их формулы не нужно, достаточно знать названия.

Для ДНК характерны следующие азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц).

Для РНК характерны следующие азотистые основания: аденин (А), урацил (У), гуанин (Г), цитозин (Ц).

Как мы видим, азотистые основания у ДНК и РНК почти одни и те же, разве что в ДНК тимин, а в РНК урацил. Это придется запомнить.

Пентоза — это пятиуглеродный моносахарид. В случае РНК это будет рибоза (оттуда и название РНК — рибонуклеиновая кислота), в случае ДНК — это будет дезоксирибоза (оттуда и название ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота). Знать их формулы не нужно, но названия выучить придется.

Фосфатная группа — это остаток ортофосфорной кислоты (H₃PO₄). Аналогично с другими соединениями, знать формулу не нужно.

Объединив три составляющие — получаем мононуклеотид. На картинке ниже изображен аденозинмонофосфат.

На ЕГЭ не используются такие сложные картинки с точным изображением химической структуры. Используются более простые схемы. На картинке ниже под буквой «А» обозначен аденин, пятиугольник в центре — рибоза или дезоксирибоза, слева буквой «Р» изображен фосфатный остаток. Все вместе — аденозинмонофосфат.

Если использовать азотистое основание аденин, рибозу и добавить вместо одного три остатка фосфорной кислоты, то получится АТФ — аденозинтрифосфорная кислота, которая является главной энергетической «валютой» клетки.

ДНК — двуцепочечная нуклеиновая кислота. Откуда берется две цепи? Азотистые основания, находящиеся напротив друг друга, образуют водородные связи. Причем водородные связи образуются по особому правилу, называемому принципом комплементарности.

Принцип комплементарности для ДНК: аденин образует водородные связи с тимином (и наоборот, тимин образует водородные связи с аденином), гуанин образует водородные связи с цитозином (и наоборот).

Принцип комплементарности с участием РНК: аденин образует водородные связи с урацилом (и наоборот, урацил образует водородные связи с аденином), гуанин образует водородные связи с цитозином (и наоборот).

Проще запомнить так в ДНК: А-Т, Г-Ц.

В РНК Т заменяется на У: А-У, Г-Ц.

Если никак не запомнить эти несчастные 5 букв, то выпишите их на руку или даже можете набить татуировку. Я запомнил этот принцип благодаря бессмысленной фразе:

Автор Текста Грохнул Цыпленка. То есть А-Т, Г-Ц. Запомнить, что в РНК тимин заменяется на урацил — несложно.

Изобразим итоговый результат в виде очень короткой цепочки.

Водородные связи между двумя цепями обозначены пунктиром. Обратите внимание на то, что одна цепь перевернута, то есть, «идет в противоположную» сторону. Важно запомнить одну вещь, которая очень пригодится в будущем: каждая цепочка начинается с фосфатной группы (это 5`-конец), а заканчивается OH-группой (это 3`-конец), причем обе цепи идут в разные стороны, это называется «антипараллельностью».

Решение заданий №3 на структуру ДНК

Теперь мы знаем, что в ДНК две цепочки, и состоит она из 4 нуклеотидов, комплементарных друг другу: А-Т, Г-Ц. Получается, зная общее количество аденина в обеих цепях ДНК, мы знаем и общее количество тимина в обеих цепях ДНК, так как они всегда комплементраны, а значит, равны по количеству: А = Т. Аналогично с гуанином и цитозином. Их количество будет строго одинаковым: Г = Ц.

Это называется первым правилом Чаргаффа.

Первое правило: А = Т, Г = Ц

Следовательно, зная общее количество нуклеотидов и количество хотя бы одного нуклеотида, можно найти все остальные. Если в задаче используется процентное соотношение нуклеотидов, то общее количество нуклеотидов равно 100%.

Это называется вторым и третьим правилами Чаргаффа.

Второе правило: А + Г = Ц + Т

Третье правило: А + Ц = Г + Т

У нас достаточно знаний, чтобы решать первые задачи.

Перейдем к демонстрационным задачам.

Демонстрационная задача на структуру ДНК №1

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 17%. Определите процентное содержание остальных нуклеотидов, входящих в состав этой молекулы.

Решение демонстрационной задачи на структуру ДНК №1

1. Всего количество нуклеотидов равно 100%

2. Количество тимина и аденина равны, так как они комплементарны, то есть, по 17% каждого нуклеотида

3. На гуанин и цитозин приходится: общее количество нуклеотидов отнять количество тимина и отнять количество аденина, то есть 100 — 17 — 17 = 66%

4. Количество гуанина и цитозина равно, а их общее количество 66%. Получается, количество гуанина и цитозина по 33%

5. Итак, в молекуле ДНК 17% аденина, 17% тимина, 33% гуанина, 33% цитозина.

Демонстрационная задача на структуру ДНК №2

В молекуле ДНК всего 1200 нуклеотидов. Количество нуклеотидов с цитозином составляет 200. Определите количество остальных нуклеотидов, входящих в состав этой молекулы.

Решение демонстрационной задачи на структуру ДНК №2

1. Всего количество нуклеотидов 1200

2. Количество гуанина равно количеству цитозина, то есть, 200 нуклеотидов.

3. На аденин и тимин приходится: общее количество нуклеотидов отнять количество цитозина и отнять количество гуанина, то есть 1200 — 200 — 200 = 800.

4. Количество аденина и тимина равно, а их общее количество 800, получается, по 400 на каждый нуклеотид.

5. Итак, в молекуле ДНК 200 цитозина, 200 гуанина, 400 аденина, 400 тимина.

В задачах на ЕГЭ требуется указать лишь одно число конкретного нуклеотида.

На самом деле, на ЕГЭ задания еще проще — обычно требуется установить содержание только одного нуклеотида в молекуле ДНК.

Однако могут попасться и более сложные задания, некоторые модели которых вы сможете встретить ниже.

Задача на структуру ДНК №1

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 26%. Определите процентное содержание нуклеотидов с тимином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №2

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 15%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №3

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с тимином приходится 23%. Определите процентное содержание нуклеотидов с гуанином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №4

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с цитозином приходится 31%. Определите процентное содержание нуклеотидов с гуанином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №5

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с гуанином приходится 18%. Определите процентное содержание нуклеотидов с аденином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №6

В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 30%. Определите процентное содержание нуклеотидов с урацилом, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №7

Двуцепочечная молекула ДНК содержит 300 нуклеотидов, 100 из которых в качестве азотистого основания имеют гуанин. Определите количество нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №8

Двуцепочечная молекула ДНК содержит 420 нуклеотидов, 85 из которых в качестве азотистого основания имеют аденин. Определите количество нуклеотидов с гуанином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №9

Двуцепочечная молекула ДНК содержит 150 нуклеотидов, 33 из которых в качестве азотистого основания имеют тимин. Определите количество нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №10

Двуцепочечная молекула ДНК содержит 142 нуклеотида, 27 из которых в качестве азотистого основания имеют цитозин. Определите количество нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на структуру ДНК №11

В молекуле ДНК 60 нуклеотидов с тимином, что составляет 15% от общего количества. Сколько нуклеотидов с цитозином? В ответ запишите только соответствующее число.

Ответы к задачам на структуру ДНК с кратким пояснением:

1. 26. Количество тимина равно количеству аденина.

2. 35. Так как (100 — 15 — 15)/2 = 35.

3. 27. Так как (100 — 23 — 23)/2 = 27.

4. 31. Количество гуанина равно количеству цитозина.

5. 32. Так как (100 — 18 — 18)/2 = 32.

6. 0. Так как урацил не входит в состав ДНК.

7. 100. Количество цитозина равно количеству гуанина.

8. 125. Так как (420 — 85 — 85)/2 = 125.

9. 42. Так как (150 — 33 — 33)/2 = 42.

10. 27. Количество цитозина дано в самой задаче.

11. 140. Общее количество нуклеотидов 60/15*100 = 400. Количество цитозина = (400 — 60 — 60)/2 = 140.

Задания №3 на синтез белка

Пора переходить к простым расчетным задачам на синтез белка.

Пока что не будем вникать в сложные термины и правила синтеза РНК и белка. В задачах на синтез белка нас интересуют только иРНК (информационная РНК) и тРНК (транспортная РНК). иРНК передает информацию из ядра к месту синтеза белка (в рибосому), тРНК переносит аминокислоты в рибосому. Нужно понять некоторые базовые основы:

1. Любая РНК синтезируется на матрице одной цепи ДНК и равна ей по длине.

2. Длина любых нуклеиновых кислот измеряется в триплетах, каждый из которых состоит из трех нуклеотидов.

3. Триплеты иРНК называются кодоны, каждый кодон несет информацию об одной аминокислоте. иРНК может содержать бесконечное количество кодонов.

4. Триплет тРНК называется антикодон. Каждая тРНК содержит всего по одному антикодону и переносит одну аминокислоту.

В итоге получается следующее равенство:

3 нуклеотида = 1 триплет = 1 кодон = 1 антикодон = 1 аминокислота.

Демонстрационная задача на синтез белка №1

Сколько нуклеотидов содержится в 100 кодонах иРНК? В ответе запишите только соответствующее число.

Решение демонстрационной задачи на синтез белка №1

Проведем несложные вычисления:

100 кодонов = 100 триплетов = 300 нуклеотидов.

Ответ: 300.

Демонстрационная задача на синтез белка №2

Какое количество аминокислот содержится во фрагменте полипептида, если этот фрагмент кодируется 35 триплетами иРНК? В ответе запишите только соответствующее число.

Решение демонстрационной задачи на синтез белка №2

В данной задаче даже не требуются вычисления

35 триплетов = 35 кодонов = 35 аминокислот.

Ответ: 35.

Демонстрационная задача на синтез белка №3

Какое количество нуклеотидов иРНК кодируют фрагмент белка, состоящий из 40 аминокислот? В ответе запишите только соответствующее число.

Решение демонстрационной задачи на синтез белка №3

40 аминокислот = 40 кодонов = 40 триплетов = 120 нуклеотидов.

Ответ: 120.

Демонстрационная задача на синтез белка №4

Сколько нуклеотидов содержит иРНК, если известно, что при синтезе белка на матрице иРНК однократно задействовано 30 тРНК? В ответе запишите только соответствующее число.

Решение демонстрационной задачи на синтез белка №4

30 тРНК = 30 антикодонов = 30 кодонов = 30 триплетов = 90 нуклеотидов.

Ответ: 90.

Задача на синтез белка №1

Сколько триплетов содержится в иРНК, если она состоит из 150 нуклеотидов? В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на синтез белка №2

Сколько кодонов содержит иРНК, если на ее матрице может синтезироваться полипептид длиной в 75 аминокислот. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на синтез белка №3

На матрице иРНК синтезируется 16 аминокислот. Сколько нуклеотидов входит в состав иРНК? В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на синтез белка №4

Сколько тРНК участвует в синтезе белка, если матрица иРНК, на которой синтезируется данный белок, включает в себя 213 нуклеотидов? В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на синтез белка №5

Сколько нуклеотидов содержится в транскрибируемой цепи ДНК, если на иРНК, синтезируемой на транскрибируемой цепи ДНК, может синтезироваться пептид длиной 180 аминокислот. Считайте, что процессинг не происходит. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на синтез белка №6

Сколько нуклеотидов содержится в двуцепочечной ДНК, если известно, что с транскрибируемой цепи ДНК считывается иРНК, на матрице которой синтезируется пептид длиной 45 аминокислот? Считайте, что процессинг не происходит. В ответе запишите только соответствующее число.

Задача на синтез белка №7

Сколько аминокислот синтезируется на матрице иРНК, если известно, что она состоит из 180 нуклеотидов и включает в себя один стоп-кодон? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответы к задачам на синтез белка с краткими пояснениями:

1. 50

2. 75

3. 48

4. 71

5. 540

6. 270. Так как 45 аминокислот = 45 триплетов = 135 нуклеотидов в транскрибируемой цепи ДНК. В обеих цепях ДНК будет 135*2 = 270 нуклеотидов.

7. 59. Так как 180 нуклеотидов = 60 триплетов = 60 кодонов, но один из кодонов — это стоп-кодон, не несущий информацию об аминокислоте.