Задачи на биосинтез белка: все типы задач линии 27 ЕГЭ

В мае 1961 года Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи решили первую в истории задачу на биосинтез белка — правда, не на бумаге, а в пробирке. Они взяли искусственную РНК, состоящую из одних урацилов, добавили её к бесклеточной системе кишечной палочки и посмотрели, какой белок получится. Получился белок из одного фенилаланина, и стало ясно: кодон УУУ кодирует фенилаланин. Через пять лет был расшифрован весь генетический код, и с тех пор любую последовательность гена можно «перевести» в последовательность белка карандашом на бумаге. Именно это и требуют задачи линии 27 ЕГЭ.

Это четвёртая статья серии о реализации наследственной информации (начало — «Матричный синтез и реализация наследственной информации»). Теория транскрипции и трансляции разобрана в статьях «Транскрипция» и «Трансляция», а здесь — все типы задач на биосинтез белка с алгоритмами решения, примерами оформления и двадцатью заданиями. Все последовательности и ответы в статье проверены вычислением по таблице генетического кода.

• 1. Что проверяет линия 27
• 2. Таблица генетического кода и как ею пользоваться
• 3. Шесть правил, без которых не решить ни одной задачи
• 4. Словарь формулировок условия
• 5. Тип 1. От ДНК к белку
• 6. Если дана смысловая цепь
• 7. Приём «повернуть и заменить»
• 8. Если матричная цепь записана от 5′ к 3′
• 9. Гены на разных цепях: асимметричность в задаче
• 10. Тип 2. Задачи с тРНК (форма демоверсии 2027 года)
• 11. Тип 3. Обратные задачи
• 12. Тип 4. Шпилька и открытая рамка считывания
• 13. Свойства генетического кода в задачах
• 14. Тип 5. Мутации
• 15. Почему код читают тройками: опыт Крика 1961 года
• 16. Тип 6. Сплайсинг
• 17. Тип 7. Ретровирусы
• 18. Тип 8. «Плюс»-РНК коронавируса
• 19. Тип 9. Полицистронная иРНК оперона
• 20. Тип 10. Расчётные задачи
• 21. Шпаргалка: все переходы в одной таблице
• 22. Расчёты первой части: длина, масса, водородные связи
• 23. Задача на настоящем гене: β-глобин и серповидноклеточная анемия
• 24. Задачи «старого образца» без указания концов
• 25. Первые «переведённые» гены
• 26. Разминка: четыре быстрых упражнения
• 27. Пять ловушек на конкретных примерах
• 28. Как оформить ответ на 3 балла
• 29. Три ответа на одну задачу: как их оценят
• 30. Как такие задачи решают биологи
• 31. Как тренироваться
• 32. Частые ошибки
• 33. Интересные факты
• 34. Частые вопросы
• 35. ЕГЭ
• 36. Для олимпиад
• 37. Задания с разбором
• Литература

1. Что проверяет линия 27

Задание линии 27 — задача по цитологии с развёрнутым ответом, оцениваемая максимум в 3 балла. Чаще всего это задача на биосинтез белка: дан фрагмент ДНК или РНК, нужно определить последовательности других молекул, участвующих в реализации информации, и последовательность аминокислот, объяснив решение. Кроме того, к линии 27 относят задачи на число хромосом и молекул ДНК в разных фазах деления клетки и задачи на энергетический обмен — им посвящены отдельные статьи [1].

Ответ проверяют по «элементам»: каждый элемент — одна нужная последовательность или один нужный вывод. Обычно элементов три–пять, и за все правильные элементы ставят 3 балла, за неполный ответ — меньше. Ошибка в одном нуклеотиде делает элемент неверным, поэтому в этих задачах важна аккуратность не меньше, чем понимание.

Важно и то, что каждый элемент ответа должен содержать не только последовательность, но и её направление (концы 5′ и 3′), а в задачах, где требуется «ответ пояснить», — краткое обоснование. Эксперты проверяют ответ по эталону, но засчитывают и другие верные формулировки: если решение по существу правильное и полное, его оценивают полностью, даже если слова отличаются от эталона.

Формы задач на биосинтез белка, которые встречаются в заданиях ЕГЭ и в пособиях по подготовке к ЕГЭ-2027:

1. по фрагменту ДНК определить иРНК, антикодоны тРНК и полипептид (матричной может быть нижняя или верхняя цепь, может быть дана только смысловая цепь);
2. по фрагменту ДНК определить участок тРНК, её антикодон и переносимую аминокислоту (форма демоверсии 2027 года);
3. обратные задачи: по антикодонам или иРНК восстановить ДНК;
4. шпилька РНК и открытая рамка считывания (новая форма);
5. мутации: замена, вставка, выпадение нуклеотида и их последствия;
6. сплайсинг: пре-иРНК, зрелая иРНК, полипептид;
7. ретровирусы: обратная транскрипция;
8. РНК-вирусы, геном которых сразу служит иРНК («плюс»-цепь);
9. полицистронная иРНК бактериального оперона;
10. расчётные задачи: число нуклеотидов, тРНК, пептидных связей.

Ниже каждая форма разобрана отдельно: алгоритм, пример с полным решением, образец оформления и типичные ловушки. Последовательности в примерах придуманы специально для этой статьи, а все ответы к ним проверены вычислением.

2. Таблица генетического кода и как ею пользоваться

К каждой задаче прилагается таблица генетического кода для иРНК. Аминокислоту по кодону находят так: первое основание кодона (с 5′-конца) — строка, второе — столбец, третье — позиция внутри клетки. В таблицах ЕГЭ первое основание обычно указано слева, второе — сверху, третье — справа; ниже та же таблица в развёрнутом виде, где каждый кодон выписан целиком.

Обозначения аминокислот трёхбуквенные. Вот полный список с названиями:

Полезно запомнить несколько особых кодонов: АУГ — метионин и старт; УАА, УАГ, УГА — стоп-кодоны; УГГ — триптофан (единственный кодон); у лейцина, серина и аргинина по шесть кодонов. Если при решении вы получили стоп-кодон в середине фрагмента, где условие говорит, что «стоп-кодонов нет», — где-то ошибка.

Почему таблица устроена именно так

Если присмотреться к таблице, видна закономерность. Кодоны одной аминокислоты почти всегда стоят в одной клетке: они различаются только третьим нуклеотидом. Аминокислоты со сходными свойствами тоже соседствуют: все кодоны с урацилом во втором положении кодируют гидрофобные аминокислоты (фенилаланин, лейцин, изолейцин, метионин, валин). Поэтому многие замены нуклеотидов либо вообще не меняют аминокислоту, либо заменяют её на похожую по свойствам. Британские исследователи Стивен Фриланд и Лоренс Хёрст сравнили настоящий код с миллионом случайно составленных и показали, что по устойчивости к таким ошибкам он лучше почти всех из них [2]. Таблица, которой вы пользуетесь на экзамене, — результат долгого отбора.

3. Шесть правил, без которых не решить ни одной задачи

1. Комплементарность. ДНК → ДНК: А–Т, Г–Ц. ДНК → РНК: А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г. РНК → РНК (кодон — антикодон): А–У, Г–Ц.
2. Антипараллельность. Комплементарные цепи всегда направлены противоположно: напротив 5′-конца одной — 3′-конец другой. Новая цепь растёт от 5′ к 3′.
3. Матричная и смысловая цепи. иРНК комплементарна матричной (транскрибируемой) цепи и совпадает со смысловой (кодирующей) с заменой Т на У.
4. Кодоны читают от 5′-конца иРНК, по три нуклеотида подряд, без пропусков и перекрываний, начиная с места, указанного в условии.
5. Стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА) не кодируют аминокислот, и им не соответствуют тРНК.
6. Антикодон комплементарен кодону и антипараллелен ему: кодону 5′-АУГ-3′ соответствует антикодон 3′-УАЦ-5′ (он же 5′-ЦАУ-3′).

В условиях ЕГЭ двуцепочечная ДНК записывается так, что верхняя цепь идёт от 5′ к 3′, нижняя — от 3′ к 5′, и нуклеотиды стоят точно друг под другом. Ответ оценивают с учётом направления цепей: каждую последовательность пишите с указанием концов.

4. Словарь формулировок условия

5. Тип 1. От ДНК к белку

Это самая частая форма. Пример условия: «Фрагмент ДНК имеет последовательность (нижняя цепь — матричная):»

5ʹ-АТГГЦАТТЦАААГГТ-3ʹ
3ʹ-ТАЦЦГТААГТТТЦЦА-5ʹ

«Определите последовательность иРНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот фрагмента полипептида. Трансляция идёт с первого нуклеотида иРНК».

Решение по шагам.

1. Находим матричную цепь — по условию нижнюю. Она записана от 3′ к 5′, поэтому иРНК, комплементарная и антипараллельная ей, пишется прямо под ней от 5′-конца: каждый нуклеотид заменяем на комплементарный (А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г). Получаем иРНК: 5ʹ-АУГГЦАУУЦАААГГУ-3ʹ. Проверка: иРНК совпадает с верхней (смысловой) цепью, только Т заменён на У.
2. Делим иРНК на кодоны с 5′-конца: АУГ, ГЦА, УУЦ, ААА, ГГУ.
3. Записываем антикодоны тРНК — комплементарные кодонам, антипараллельные им: 3ʹ-УАЦ-5ʹ, 3ʹ-ЦГУ-5ʹ, 3ʹ-ААГ-5ʹ, 3ʹ-УУУ-5ʹ, 3ʹ-ЦЦА-5ʹ.
4. По таблице кода находим аминокислоты: Мет-Ала-Фен-Лиз-Гли (метионин, аланин, фенилаланин, лизин, глицин).

Второй пример: матричная — верхняя цепь

Условие: «Фрагмент ДНК (верхняя цепь — матричная)»:

5ʹ-ТТАГЦЦАААЦАТ-3ʹ
3ʹ-ААТЦГГТТТГТА-5ʹ

Здесь иРНК антипараллельна верхней цепи, то есть её 5′-конец находится справа, напротив 3′-конца верхней цепи. Проще всего взять нижнюю цепь — она смысловая — и прочитать её справа налево, от 5′-конца: 5ʹ-АТГТТТГГЦТАА-3ʹ. Заменяем Т на У: иРНК 5ʹ-АУГУУУГГЦУАА-3ʹ. Кодоны: АУГ, УУУ, ГГЦ, УАА; антикодоны: 3ʹ-УАЦ-5ʹ, 3ʹ-ААА-5ʹ, 3ʹ-ЦЦГ-5ʹ; полипептид: Мет-Фен-Гли (последний кодон УАА — стоп-кодон: на нём синтез заканчивается, и тРНК для него нет, поэтому антикодонов на один меньше, чем кодонов).

Проверка: если записать эту иРНК под верхней цепью в обратном порядке (от 3′ к 5′), каждый её нуклеотид окажется комплементарен нуклеотиду верхней цепи.

Что ещё могут спросить. Последовательность второй цепи ДНК; число водородных связей во фрагменте; что изменится, если матричной считать другую цепь (тогда иРНК будет совсем другой — это хороший способ проверить, понимаете ли вы асимметричность).

6. Если дана смысловая цепь

Иногда дана одна цепь и сказано, что она смысловая (кодирующая). Например:

5ʹ-ТГЦЦАТГАГТТТ-3ʹ

Тогда иРНК совпадает с ней, нужно лишь заменить тимин на урацил: 5ʹ-УГЦЦАУГАГУУУ-3ʹ. Кодоны: УГЦ, ЦАУ, ГАГ, УУУ, полипептид: Цис-Гис-Глу-Фен. Если в задаче нужна ещё и матричная цепь, её строят комплементарно смысловой: 3ʹ-АЦГГТАЦТЦААА-5ʹ.

7. Приём «повернуть и заменить»

Почти все переходы в задачах на биосинтез сводятся к двум операциям:

• «заменить» — каждый нуклеотид на комплементарный (порядок сохраняется, концы меняются местами: 5′…3′ превращается в 3′…5′);
• «повернуть» — прочитать цепь с другого конца (нуклеотиды те же, порядок обратный).

Цепь, комплементарная данной и записанная привычно, от 5′-конца, получается заменой и поворотом. Например, для 5′-ГЦАУ-3′ замена даёт 3′-ЦГУА-5′, а поворот — 5′-АУГЦ-3′. Так находят кодон по антикодону, записанному от 5′ к 3′, иРНК по матричной цепи, записанной от 5′ к 3′, второй участок стебля шпильки. Привычка всегда спрашивать себя «нужно ли повернуть?» спасает от большинства ошибок.

8. Если матричная цепь записана от 5′ к 3′

Ловушка, на которой теряют больше всего баллов: матричная цепь дана в направлении 5′ → 3′ (например, «верхняя цепь — матричная» или одна цепь с концами 5′…3′). Пример: матричная цепь

5ʹ-АААЦЦГЦАТ-3ʹ

Если просто заменить нуклеотиды на комплементарные, получится цепь 3ʹ-УУУГГЦГУА-5ʹ — но это иРНК, записанная от 3′-конца. Кодоны же читают от 5′-конца, поэтому её нужно перевернуть: иРНК 5ʹ-АУГЦГГУУУ-3ʹ. Кодоны: АУГ, ЦГГ, УУУ, полипептид: Мет-Арг-Фен.

Простое правило: если матрица идёт 3′ → 5′, иРНК читается в том же порядке, что и матрица; если матрица идёт 5′ → 3′, иРНК читается в обратном порядке. При двуцепочечной ДНК с верхней матричной цепью удобнее взять нижнюю (смысловую) цепь, прочитать её справа налево — от 5′-конца — и заменить Т на У.

9. Гены на разных цепях: асимметричность в задаче

Принцип асимметричности транскрипции можно увидеть на одном фрагменте ДНК, в котором два гена лежат на разных цепях:

5ʹ-АТГАААГЦЦТАГТТАЦАЦЦЦАТ-3ʹ
3ʹ-ТАЦТТТЦГГАТЦААТГТГГГТА-5ʹ

Для первого гена матричная цепь — нижняя. Его иРНК совпадает с верхней цепью: 5ʹ-АУГАААГЦЦУАГУУАЦАЦЦЦАУ-3ʹ, и с первого кодона читается полипептид Мет-Лиз-Ала (затем стоп-кодон УАГ).

Для второго гена матричная — верхняя цепь. Его иРНК антипараллельна верхней цепи и совпадает с нижней, прочитанной справа налево: 5ʹ-АУГГГУГУААЦУАГГЦУУУЦАУ-3ʹ; полипептид: Мет-Гли-Вал-Тре-Арг-Лей-Сер.

Одна и та же цепь служит матричной для одного гена и смысловой для другого — это и есть асимметричность: у каждого гена своя матричная цепь, а выбор определяется направлением промотора (подробнее — в статье «Транскрипция»).

10. Тип 2. Задачи с тРНК (форма демоверсии 2027 года)

Условие начинается с напоминания: синтез нуклеиновых кислот идёт от 5′-конца, рибосома движется по иРНК от 5′ к 3′, а все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Затем дан фрагмент ДНК, на котором синтезируется участок центральной петли тРНК, и сказано, какой триплет соответствует антикодону. Пример (нижняя цепь — матричная, антикодону соответствует 3-й триплет с 5′-конца):

5ʹ-ГЦТАТГЦЦАТГГАЦЦТЦ-3ʹ
3ʹ-ЦГАТАЦГГТАЦЦТГГАГ-5ʹ

Решение.

1. тРНК синтезируется на матричной цепи, как и иРНК, — по принципу комплементарности: участок тРНК 5ʹ-ГЦУАУГЦЦАУГГАЦЦУЦ-3ʹ.
2. Делим его на триплеты с 5′-конца: ГЦУ, АУГ, ЦЦА, УГГ, АЦЦ. Третий триплет — антикодон 5ʹ-ЦЦА-3ʹ.
3. Находим кодон иРНК, комплементарный антикодону и антипараллельный ему: переворачиваем антикодон и заменяем нуклеотиды на комплементарные. Кодон 5ʹ-УГГ-3ʹ.
4. По таблице кода этому кодону соответствует Трп (триптофан) — эту аминокислоту и переносит тРНК.

Почему в этой задаче тРНК «синтезируется на ДНК»? Потому что гены тРНК, как и все гены, записаны в ДНК, и тРНК — продукт транскрипции. Значит, участок тРНК находят так же, как иРНК, — комплементарно матричной цепи.

Второй пример: верхняя цепь матричная

Дан фрагмент ДНК, на котором синтезируется участок центральной петли тРНК (верхняя цепь — матричная); антикодону соответствует второй триплет с 5′-конца тРНК.

5ʹ-АЦГТТЦЦАТГЦАТЦ-3ʹ
3ʹ-ТГЦААГГТАЦГТАГ-5ʹ

1. тРНК антипараллельна верхней (матричной) цепи и совпадает по составу с нижней цепью, прочитанной от 5′-конца (справа налево): 5ʹ-ГАУГЦАУГГААЦГУ-3ʹ.
2. Триплеты с 5′-конца: ГАУ, ГЦА, УГГ, ААЦ. Второй — антикодон 5ʹ-ГЦА-3ʹ.
3. Кодон иРНК, комплементарный и антипараллельный антикодону: 5ʹ-УГЦ-3ʹ.
4. Аминокислота: Цис (цистеин).

Что ещё могут спросить. Какую аминокислоту перенесёт тРНК, если антикодоном будет другой триплет; какой кодон иРНК узнаёт данная тРНК; почему тРНК синтезируется на ДНК, а не на иРНК.

11. Тип 3. Обратные задачи

В обратных задачах дана тРНК или иРНК, а восстановить нужно ДНК. Алгоритм — те же правила в обратном порядке:

• по антикодонам тРНК (записанным от 3′ к 5′) кодоны иРНК получают простой заменой на комплементарные нуклеотиды; если антикодоны записаны от 5′ к 3′, каждый сначала переворачивают;
• по иРНК смысловая цепь ДНК получается заменой У на Т, а матричная — комплементарно иРНК, с противоположными концами.

Можно ли по последовательности аминокислот восстановить ген? Однозначно — нет: из-за вырожденности кода большинству аминокислот соответствует несколько кодонов. Например, трипептид Мет-Трп-Лиз могут кодировать две иРНК (лизину соответствуют два кодона), а трипептид Лей-Сер-Арг — 216 разных иРНК (по шесть кодонов на каждую аминокислоту). Поэтому в задачах ЕГЭ восстанавливают ДНК только по нуклеиновым кислотам — иРНК или антикодонам, — а не по белку.

12. Тип 4. Шпилька и открытая рамка считывания

Новая форма задачи: у бактерий есть РНК, образующая шпильку благодаря комплементарным участкам, а после шпильки расположена открытая рамка считывания. Требуется определить РНК, её вторичную структуру, начало рамки и полипептид. Пример: дан фрагмент ДНК (нижняя цепь — матричная), открытая рамка начинается с первого после шпильки метионинового кодона.

5ʹ-АЦГЦАЦЦЦТЦТЦТГГГТГЦЦАААТГГАЦТТТГЦЦААГТГА-3ʹ
3ʹ-ТГЦГТГГГАГАГАЦЦЦАЦГГТТТАЦЦТГАААЦГГТТЦАЦТ-5ʹ

Решение.

1. РНК комплементарна матричной цепи: 5ʹ-АЦГЦАЦЦЦУЦУЦУГГГУГЦЦАААУГГАЦУУУГЦЦААГУГА-3ʹ.
2. Ищем шпильку — два участка РНК, комплементарных друг другу при антипараллельном расположении. Удобный приём: для каждого участка из 5–7 нуклеотидов выписать «перевёрнутую комплементарную» последовательность и поискать её дальше в той же РНК. Здесь участок 5ʹ-ГЦАЦЦЦ-3ʹ (нуклеотиды 3–8) комплементарен участку 5ʹ-ГГГУГЦ-3ʹ (нуклеотиды 14–19). Они спариваются, образуя стебель из 6 пар, а между ними остаётся петля из 5 нуклеотидов — УЦУЦУ (нуклеотиды 9–13).
3. После шпильки находим первый кодон АУГ — он стоит в положении 23. С него начинается открытая рамка: 5ʹ-АУГГАЦУУУГЦЦААГУГА-3ʹ.
4. Транслируем рамку до стоп-кодона: Мет-Асп-Фен-Ала-Лиз.

Как найти стебель шпильки

Найти шпильку «на глаз» трудно, поэтому полезен порядок действий. Возьмите участок из 5–6 нуклеотидов от начала РНК, например 5ʹ-ГЦАЦЦЦ-3ʹ (нуклеотиды 3–8). Постройте к нему «повёрнутую и заменённую» последовательность: 5ʹ-ГГГУГЦ-3ʹ. Теперь ищите её дальше в РНК. Если она нашлась (здесь — с 14-го нуклеотида), стебель найден; если нет — сдвиньте исходный участок на один нуклеотид вправо и повторите. Затем проверьте, нельзя ли удлинить стебель ещё на одну пару с каждого конца, и убедитесь, что в петле не меньше трёх нуклеотидов.

Второй пример: рамка с аланинового кодона

Пусть открытая рамка начинается с первого после шпильки аланинового кодона (в этой форме условие может назвать любую аминокислоту). Фрагмент ДНК (нижняя цепь — матричная):

5ʹ-ГАГГЦТЦТАТТЦГАГЦЦТАТГЦАТГГТТТААА-3ʹ
3ʹ-ЦТЦЦГАГАТААГЦТЦГГАТАЦГТАЦЦАААТТТ-5ʹ

1. РНК: 5ʹ-ГАГГЦУЦУАУУЦГАГЦЦУАУГЦАУГГУУУААА-3ʹ.
2. Стебель шпильки: 5ʹ-АГГЦУЦ-3ʹ (нуклеотиды 2–7) и 5ʹ-ГАГЦЦУ-3ʹ (нуклеотиды 13–18), 6 пар; петля УАУУЦ.
3. Первый после шпильки кодон аланина (ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА или ГЦГ) — ГЦА в положении 21; рамка: 5ʹ-ГЦАУГГУУУААА-3ʹ.
4. Полипептид: Ала-Трп-Фен-Лиз.

Обратите внимание: кодоны аланина начинаются с ГЦ, и искать надо первую такую пару после шпильки, проверяя третий нуклеотид. Внутри шпильки тоже может встретиться «аланиновый» триплет, но рамка по условию начинается после неё.

Что ещё могут спросить. Сколько пар нуклеотидов в стебле и сколько нуклеотидов в петле; почему шпилька образуется только у одноцепочечной РНК; какую роль играют шпильки в РНК (тРНК, рРНК, сигналы окончания транскрипции у бактерий).

13. Свойства генетического кода в задачах

В задачах на мутации и в вопросах на объяснение нужно связать результат со свойствами кода. Вот как каждое свойство проявляется в решении (подробнее о свойствах — в статье «Генетический код и его свойства»).

• Триплетность — каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. В задачах: иРНК делят на тройки; белок из n аминокислот кодируется 3n нуклеотидами; выпадение одного нуклеотида сдвигает рамку.
• Однозначность (специфичность) — каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. В задачах: по кодону аминокислота определяется однозначно.
• Вырожденность (избыточность) — большинство аминокислот кодируются несколькими кодонами. В задачах: замена третьего нуклеотида часто не меняет аминокислоту; по белку нельзя однозначно восстановить иРНК.
• Неперекрываемость — каждый нуклеотид входит только в один кодон. В задачах: замена одного нуклеотида меняет не больше одной аминокислоты.
• Непрерывность (отсутствие «запятых») — между кодонами нет разделителей. В задачах: вставка или выпадение нуклеотида меняет все последующие кодоны.
• Наличие знаков начала и конца — АУГ задаёт начало, УАА, УАГ, УГА — конец. В задачах: рамку начинают с АУГ, если так сказано; на стоп-кодоне синтез заканчивается.
• Универсальность — код один у почти всех организмов. В задачах: одной таблицей пользуются для бактерий, растений, человека и вирусов (исключения вроде кода митохондрий в ЕГЭ не встречаются).

14. Тип 5. Мутации

Дана цепь ДНК и описана мутация: замена, вставка или выпадение нуклеотида. Нужно определить иРНК и полипептид до и после мутации, назвать тип мутации и объяснить её последствия свойствами кода. Пример: смысловая цепь

5ʹ-АТГААГЦЦТТГГГАЦ-3ʹ

До мутации иРНК 5ʹ-АУГААГЦЦУУГГГАЦ-3ʹ, полипептид Мет-Лиз-Про-Трп-Асп.

• Замена 9-го нуклеотида Т на Ц. иРНК 5ʹ-АУГААГЦЦЦУГГГАЦ-3ʹ: кодон ЦЦУ превратился в ЦЦЦ, но оба кодируют пролин. Полипептид не изменился: Мет-Лиз-Про-Трп-Асп. Это молчащая мутация; её объясняет вырожденность кода.
• Замена 11-го нуклеотида Г на А. иРНК 5ʹ-АУГААГЦЦУУАГГАЦ-3ʹ: кодон УГГ (триптофан) превратился в стоп-кодон УАГ. Синтез обрывается: полипептид Мет-Лиз-Про (на третьем кодоне — стоп). Это нонсенс-мутация.
• Выпадение 4-го нуклеотида. иРНК 5ʹ-АУГАГЦЦУУГГГАЦ-3ʹ. Рамка считывания сдвинулась, и все кодоны после места мутации изменились: полипептид Мет-Сер-Лей-Гли. Это мутация со сдвигом рамки; её последствия объясняют триплетность и непрерывность кода (между кодонами нет «запятых»).

Ещё пример: вставка трёх нуклеотидов

Смысловая цепь 5ʹ-АТГГГЦТТТЦАТ-3ʹ; после 6-го нуклеотида встроились три нуклеотида ААА. До мутации иРНК 5ʹ-АУГГГЦУУУЦАУ-3ʹ, полипептид Мет-Гли-Фен-Гис. После мутации иРНК 5ʹ-АУГГГЦАААУУУЦАУ-3ʹ, кодоны АУГ, ГГЦ, ААА, УУУ, ЦАУ, полипептид Мет-Гли-Лиз-Фен-Гис. В белок добавилась одна аминокислота (лизин), остальные не изменились: вставка целого триплета не сдвигает рамку считывания. Это объясняется триплетностью кода.

15. Почему код читают тройками: опыт Крика 1961 года

Задачи на сдвиг рамки считывания повторяют один из самых изящных опытов в истории генетики. В 1961 году Фрэнсис Крик, Сидней Бреннер и их сотрудники обрабатывали бактериофаг T4 веществом профлавином, которое встраивается в ДНК и вызывает вставку или выпадение одного нуклеотида [3]. Одна такая мутация в гене фага выключала ген. Две мутации одного знака (две вставки или два выпадения) рядом — тоже. Но три вставки рядом или вставка плюс выпадение восстанавливали работу гена!

Объяснение простое, если код триплетный и читается без «запятых» от определённой точки. Одна вставка сдвигает рамку, и все последующие кодоны читаются неправильно. Вставка и выпадение рядом возвращают рамку на место, и неправильным остаётся лишь короткий участок между ними. Три вставки добавляют целый «лишний» кодон, и рамка дальше не сдвинута. Не определив ни одного кодона, Крик доказал, что код триплетный, не перекрывается и читается непрерывно от фиксированной начальной точки. Именно эти свойства и проверяют задачи на мутации.

Что ещё могут спросить. Какая из двух мутаций опаснее — замена или выпадение нуклеотида — и почему; может ли мутация не изменить белок; как изменится белок, если выпадут три нуклеотида подряд.

16. Тип 6. Сплайсинг

Дан участок гена эукариот с экзонами и интроном, указаны номера нуклеотидов интрона. Нужно определить пре-иРНК, зрелую иРНК и полипептид. Пример: интрону соответствуют нуклеотиды с 7-го по 15-й (счёт от 5′-конца верхней цепи), нижняя цепь — матричная:

5ʹ-АТГЦТГГТААГТЦАГГААГГЦТТТ-3ʹ
3ʹ-ТАЦГАЦЦАТТЦАГТЦЦТТЦЦГААА-5ʹ

1. Пре-иРНК комплементарна матричной цепи и включает интрон: 5ʹ-АУГЦУГГУААГУЦАГГААГГЦУУУ-3ʹ.
2. При сплайсинге вырезается интрон 5ʹ-ГУААГУЦАГ-3ʹ (9 нуклеотидов). Обратите внимание: он начинается с ГУ и заканчивается АГ, как большинство настоящих интронов.
3. Экзоны сшиваются: зрелая иРНК 5ʹ-АУГЦУГГААГГЦУУУ-3ʹ.
4. Полипептид по зрелой иРНК: Мет-Лей-Глу-Гли-Фен.

Ещё пример: два интрона

Участок гена (нижняя цепь — матричная) содержит три экзона и два интрона; интроны — нуклеотиды 7–13 и 20–28.

5ʹ-АТГЦАГГТААТАГТТЦАЦЦГТЦЦЦТТАГГГАТАТ-3ʹ
3ʹ-ТАЦГТЦЦАТТАТЦААГТГГЦАГГГААТЦЦЦТАТА-5ʹ

Пре-иРНК: 5ʹ-АУГЦАГГУААУАГУУЦАЦЦГУЦЦЦУУАГГГАУАУ-3ʹ. Вырезаются интроны 5ʹ-ГУААУАГ-3ʹ и 5ʹ-ГУЦЦЦУУАГ-3ʹ. Зрелая иРНК: 5ʹ-АУГЦАГУУЦАЦЦГГАУАУ-3ʹ, полипептид: Мет-Глн-Фен-Тре-Гли-Тир. Длина пре-иРНК — 34 нуклеотидов, зрелой иРНК — 18.

Что ещё могут спросить. Почему зрелая иРНК короче гена; как называются вырезаемые и сохраняемые участки; что такое альтернативный сплайсинг и как он позволяет одному гену кодировать несколько белков.

17. Тип 7. Ретровирусы

Геном ретровируса — одноцепочечная РНК. В клетке обратная транскриптаза синтезирует на ней первую цепь ДНК, затем вторую; двуцепочечная ДНК встраивается в хромосому, и с неё транскрибируется вирусная РНК. Пример: фрагмент геномной РНК

5ʹ-ГЦАУУЦГГАААУ-3ʹ

1. Первая цепь ДНК комплементарна РНК и антипараллельна ей: 3ʹ-ЦГТААГЦЦТТТА-5ʹ.
2. Вторая цепь ДНК комплементарна первой, то есть по составу совпадает с исходной РНК, только вместо урацила — тимин: 5ʹ-ГЦАТТЦГГАААТ-3ʹ.
3. При транскрипции с первой цепи синтезируется РНК, совпадающая с исходной геномной РНК: 5ʹ-ГЦАУУЦГГАААУ-3ʹ.
4. Белок, который она кодирует (с первого нуклеотида): Ала-Фен-Гли-Асн.

Смысл задачи — показать, что информация прошла путь РНК → ДНК → РНК → белок и вернулась к исходной последовательности (подробнее — в статье «Бактериофаги и ретровирусы»).

Что ещё могут спросить. Как называется фермент, синтезирующий ДНК на РНК; почему ретровирусы — мишень лекарств, блокирующих этот фермент; как называется встроенная в хромосому вирусная ДНК (провирус).

18. Тип 8. «Плюс»-РНК коронавируса

У коронавирусов, вирусов полиомиелита и гепатита C геном — «плюс»-цепь РНК, которая сразу служит иРНК: рибосомы клетки транслируют её. Для размножения вирус синтезирует на ней комплементарную «минус»-цепь, а на «минус»-цепи — новые «плюс»-цепи. Пример: фрагмент «плюс»-РНК

5ʹ-ГААУГУЦАГЦУГГАУААГЦ-3ʹ

«Найдите «минус»-цепь и полипептид, если трансляция начинается с первого АУГ и заканчивается на первом стоп-кодоне».

1. «Минус»-цепь комплементарна «плюс»-РНК и антипараллельна ей: 3ʹ-ЦУУАЦАГУЦГАЦЦУАУУЦГ-5ʹ.
2. Первый кодон АУГ находится в положении 3; рамка до стоп-кодона УАА (нуклеотиды 15–17): 5ʹ-АУГУЦАГЦУГГАУАА-3ʹ.
3. Полипептид: Мет-Сер-Ала-Гли; в нём 4 аминокислоты (стоп-кодон аминокислоту не кодирует).

Что ещё могут спросить. Чем «плюс»-РНК отличается от «минус»-РНК; почему геном «плюс»-вируса сразу может служить иРНК, а «минус»-вирусу нужна своя РНК-полимераза в вирусной частице; почему для ПЦР-теста на такой вирус нужна обратная транскрипция.

19. Тип 9. Полицистронная иРНК оперона

У бактерий соседние гены, участвующие в одном процессе, часто транскрибируются с общего промотора в одну иРНК, содержащую несколько рамок считывания. Пример (нижняя цепь — матричная):

5ʹ-ЦАТГТТТГАЦТААГАГГАТГГГЦТАЦТГА-3ʹ
3ʹ-ГТАЦАААЦТГАТТЦТЦЦТАЦЦЦГАТГАЦТ-5ʹ

1. иРНК совпадает с верхней цепью (Т → У): 5ʹ-ЦАУГУУУГАЦУААГАГГАУГГГЦУАЦУГА-3ʹ.
2. Первая рамка — от первого АУГ до первого стоп-кодона в этой рамке (нуклеотиды 2–13): 5ʹ-АУГУУУГАЦУАА-3ʹ, полипептид Мет-Фен-Асп.
3. После стоп-кодона рибосома может снова начать трансляцию со следующего АУГ: вторая рамка (нуклеотиды 18–29): 5ʹ-АУГГГЦУАЦУГА-3ʹ, полипептид Мет-Гли-Тир.
4. Одна иРНК кодирует два полипептида — она полицистронная; так работают гены оперона.

Что ещё могут спросить. Что такое оперон и как он регулируется (подробнее — в статье «Оперон»); почему у эукариот иРНК обычно моноцистронная; где начинается трансляция второй рамки и почему для этого рибосоме нужен свой участок посадки.

20. Тип 10. Расчётные задачи

В расчётных задачах (их можно встретить и в линии 3 первой части) последовательностей нет — только числа. Пригодятся простые соотношения.

Пример. Белок из 186 аминокислот, ген без интронов, стоп-кодон учитывается: иРНК — 186 · 3 + 3 = 561 нуклеотид; двуцепочечный участок гена — 561 · 2 = 1122 нуклеотида; тРНК — 186; пептидных связей — 185.

В задачах на состав иРНК помните: правило Чаргаффа (А = Т, Г = Ц) действует только для двуцепочечной ДНК. Если дан состав матричной цепи, состав иРНК получают заменой каждого нуклеотида на комплементарный: процент урацила в иРНК равен проценту аденина в матрице, процент аденина — проценту тимина и так далее.

21. Шпаргалка: все переходы в одной таблице

22. Расчёты первой части: длина, масса, водородные связи

В первой части ЕГЭ (линия 3) встречаются короткие расчётные задачи с ответом-числом. Кроме соотношений, приведённых выше, пригодятся ещё несколько.

• Водородные связи. Между А и Т — две, между Г и Ц — три. В двуцепочечном участке 5ʹ-АТГЦЦГАТ-3ʹ / 3ʹ-ТАЦГГЦТА-5ʹ таких связей 2 · (число пар А–Т) + 3 · (число пар Г–Ц) = 20.
• Длина ДНК. Расстояние между соседними парами нуклеотидов — 0,34 нм. Ген из 900 пар нуклеотидов имеет длину 900 · 0,34 = 306 нм.
• Масса. Если в условии дана средняя масса нуклеотида или аминокислоты (в задачах часто принимают 345 и 110 условных единиц), массу молекулы находят умножением. Белок из 200 аминокислот: 200 · 110 = 22 000; кодирующая его иРНК (без стоп-кодона): 600 · 345 = 207 000. Значение масс всегда берут из условия.
• Состав ДНК по правилу Чаргаффа. В двуцепочечной ДНК А = Т и Г = Ц, поэтому, зная процент одного нуклеотида, находят остальные: если Ц = 18 %, то Г = 18 %, а А = Т = (100 − 36) / 2 = 32 %.
• Число возможных кодонов. Из четырёх нуклеотидов по три — 4³ = 64; если бы код был дуплетным — 4² = 16 (меньше 20 аминокислот, поэтому дуплетный код невозможен).

В таких задачах ответ записывают одним числом, без единиц измерения; дробную часть отделяют запятой.

23. Задача на настоящем гене: β-глобин и серповидноклеточная анемия

Задачи ЕГЭ решаются на придуманных последовательностях, но точно так же можно «перевести» и настоящий ген. Вот начало кодирующей последовательности гена β-цепи гемоглобина человека (смысловая цепь):

5ʹ-АТГГТГЦАТЦТГАЦТЦЦТГАГГАГААГ-3ʹ

иРНК: 5ʹ-АУГГУГЦАУЦУГАЦУЦЦУГАГГАГААГ-3ʹ. Кодоны: АУГ, ГУГ, ЦАУ, ЦУГ, АЦУ, ЦЦУ, ГАГ, ГАГ, ААГ. Полипептид: Мет-Вал-Гис-Лей-Тре-Про-Глу-Глу-Лиз. Это действительно начало β-цепи гемоглобина; первый метионин после синтеза отщепляется, поэтому в зрелом белке валин считают первой аминокислотой, а глутаминовые кислоты оказываются в 6-м и 7-м положениях.

При серповидноклеточной анемии в 20-м нуклеотиде этого участка аденин заменён тимином. Мутантная смысловая цепь: 5ʹ-АТГГТГЦАТЦТГАЦТЦЦТГТГГАГААГ-3ʹ; иРНК: 5ʹ-АУГГУГЦАУЦУГАЦУЦЦУГУГГАГААГ-3ʹ; полипептид: Мет-Вал-Гис-Лей-Тре-Про-Вал-Глу-Лиз. Кодон ГАГ (глутаминовая кислота) превратился в ГУГ (валин) — та самая замена, которую в 1957 году нашёл Вернон Ингрэм (подробнее — в статье «Матричный синтез и реализация наследственной информации»). Одна буква в гене — и тяжёлая наследственная болезнь.

24. Задачи «старого образца» без указания концов

В старых пособиях и сборниках встречаются задачи, где цепь дана без концов: «Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность ТАЦГАТ… Определите иРНК». По традиции в таких задачах считалось, что дана матричная цепь, записанная от 3′ к 5′, и иРНК строили простой заменой на комплементарные нуклеотиды. Антикодоны тоже строили простой заменой, без учёта направления.

Современные задания ЕГЭ всегда указывают концы цепей и прямо говорят, какая цепь матричная. Поэтому, решая старые задачи для тренировки, держите в голове скрытое допущение, а на экзамене решайте строго по условию. Если на экзамене попадётся формулировка без концов, лучше явно написать в ответе своё допущение: «считаем, что дана матричная цепь, записанная от 3′ к 5′».

25. Первые «переведённые» гены

Пока последовательности ДНК не умели читать, задачи на биосинтез были чисто учебными. Первый ген, полностью прочитанный и сопоставленный с белком, — ген белка оболочки РНК-содержащего бактериофага MS2. В 1972 году группа бельгийского молекулярного биолога Вальтера Фирса определила его последовательность и показала, что она точно соответствует аминокислотной последовательности белка по генетическому коду [4]. Это было прямое доказательство того, что код работает «в жизни», а не только в пробирке.

В 1977 году Фредерик Сэнгер с коллегами прочитал первый полный геном — ДНК бактериофага φX174 из 5386 нуклеотидов — и обнаружил в нём перекрывающиеся гены [5]. Сегодня прочитаны геномы сотен тысяч организмов, и каждый день программы «решают» миллионы задач линии 27, переводя найденные гены в белки.

26. Разминка: четыре быстрых упражнения

Прежде чем переходить к заданиям, проверьте себя на коротких цепях (ответы — сразу после вопроса, закройте их рукой).

1. Матричная цепь 3ʹ-ТАЦЦГАТТТ-5ʹ. иРНК и белок? Ответ: иРНК 5ʹ-АУГГЦУААА-3ʹ, белок Мет-Ала-Лиз.
2. Смысловая цепь 5ʹ-АТГТЦЦГГА-3ʹ. иРНК и белок? Ответ: иРНК 5ʹ-АУГУЦЦГГА-3ʹ, белок Мет-Сер-Гли.
3. Антикодоны (5′ → 3′): ЦАУ, ГАА, УЦЦ. иРНК и белок? Ответ: иРНК 5ʹ-АУГУУЦГГА-3ʹ, белок Мет-Фен-Гли.
4. иРНК 5ʹ-ГЦУУАЦААГ-3ʹ. Матричная цепь ДНК и антикодоны? Ответ: матричная цепь 3ʹ-ЦГААТГТТЦ-5ʹ; антикодоны 3ʹ-ЦГА-5ʹ, 3ʹ-АУГ-5ʹ, 3ʹ-УУЦ-5ʹ.

27. Пять ловушек на конкретных примерах

Посмотрим, как меняется ответ, если допустить типичную ошибку. Все последовательности ниже вычислены по таблице кода.

1. «Не та цепь». Дан фрагмент 5ʹ-АТГАЦЦГГТТАЦ-3ʹ / 3ʹ-ТАЦТГГЦЦААТГ-5ʹ, нижняя цепь — матричная. Правильно: иРНК 5ʹ-АУГАЦЦГГУУАЦ-3ʹ, белок Мет-Тре-Гли-Тир. Если по ошибке взять матрицей верхнюю цепь, получится иРНК 5ʹ-ГУААЦЦГГУЦАУ-3ʹ и белок Вал-Тре-Гли-Гис — ни одной общей аминокислоты.
2. «Забыли повернуть». Матричная цепь 5ʹ-ЦАТГГЦААЦ-3ʹ. Правильно: иРНК 5ʹ-ГУУГЦЦАУГ-3ʹ, белок Вал-Ала-Мет. Без поворота получится «иРНК» ГУАЦЦГУУГ, прочитанная с 3′-конца, и белок Вал-Про-Лей.
3. «Антикодон в таблицу». Антикодон 5′-ЦУУ-3′. Правильно: кодон 5ʹ-ААГ-3ʹ — Лиз. Если подставить в таблицу сам антикодон, получится Лей, а если только заменить нуклеотиды без поворота — Глу.
4. «Чаргафф для одной цепи». В иРНК 30 % аденина. Сколько в ней урацила? По этим данным определить нельзя: иРНК одноцепочечная, и правило А = У к ней не применяется. Ответ «30 %» неверен.
5. «тРНК для стоп-кодона». иРНК из 12 кодонов, последний — стоп. Сколько тРНК участвовало в синтезе? Не 12, а 11: стоп-кодону тРНК не соответствует.

28. Как оформить ответ на 3 балла

• Пишите каждую последовательность с концами: 5′-…-3′ или 3′-…-5′.
• Нумеруйте элементы ответа: 1) иРНК…; 2) антикодоны…; 3) полипептид… — так проверяющему легче найти каждый элемент.
• Поясняйте, откуда взялась каждая последовательность: «по принципу комплементарности», «иРНК комплементарна матричной цепи», «кодон комплементарен антикодону и антипараллелен ему», «по таблице генетического кода».
• Антикодоны записывайте каждый отдельно, с концами, через запятую.
• Аминокислоты пишите сокращениями, как в таблице, через дефис.
• Если условие требует объяснить (например, тип мутации или свойство кода), отвечайте прямо на вопрос, одной-двумя фразами.

Чек-лист самопроверки

1. Правильно ли выбрана матричная цепь?
2. Не перепутаны ли концы? Читаю ли я иРНК от 5′-конца?
3. Заменён ли тимин на урацил в РНК и нет ли урацила в ДНК?
4. Совпадает ли иРНК со смысловой цепью (с заменой Т на У)? Это хорошая проверка.
5. Не подставил ли я в таблицу антикодон или триплет ДНК вместо кодона?
6. Нет ли стоп-кодона там, где условие говорит, что его нет?
7. Совпадает ли число аминокислот с числом кодонов (без стоп-кодона)?

29. Три ответа на одну задачу: как их оценят

Вернёмся к первому примеру (нижняя цепь матричная, иРНК 5ʹ-АУГГЦАУУЦАААГГУ-3ʹ). Посмотрим, как эксперт оценил бы три разных ответа.

• Ответ А. «1) иРНК: 5ʹ-АУГГЦАУУЦАААГГУ-3ʹ (комплементарна матричной цепи). 2) Антикодоны тРНК: 3ʹ-УАЦ-5ʹ, 3ʹ-ЦГУ-5ʹ, 3ʹ-ААГ-5ʹ, 3ʹ-УУУ-5ʹ, 3ʹ-ЦЦА-5ʹ. 3) Полипептид по таблице кода: Мет-Ала-Фен-Лиз-Гли». Все три элемента верны и пояснены — 3 балла.
• Ответ Б. «иРНК: АУГГЦАУУЦАААГГУ; тРНК: УАЦЦГУААГУУУЦЦА; белок: Мет-Ала-Фен-Лиз-Гли». Последовательности по существу верны, но не указаны концы цепей, а антикодоны записаны одной строкой, как будто это одна молекула. В современных критериях это ошибки в элементах — оценка снижается, обычно до 1–2 баллов.
• Ответ В. иРНК построена комплементарно верхней (смысловой) цепи, а не матричной. Тогда все кодоны неверны, а с ними и антикодоны и аминокислоты, — 0 баллов, хотя ход рассуждений «по правилам» был.

Вывод: правильно выбрать матричную цепь и аккуратно записать направления — не формальность, а условие получения баллов.

30. Как такие задачи решают биологи

Учёные переводят последовательности программами, но логика та же. Прочитав геном, программа ищет в шести рамках считывания (по три на каждой цепи) длинные открытые рамки — участки от старт-кодона до стоп-кодона без промежуточных стоп-кодонов. Затем полученные белковые последовательности сравнивают с базами данных известных белков, и по сходству предсказывают функцию гена. У эукариот задача сложнее: программа должна ещё угадать, где проходят границы экзонов и интронов, — для этого используют сигналы сплайсинга (ГУ…АГ) и прочитанные иРНК.

Обратная задача тоже решается постоянно. Когда биотехнологу нужен ген какого-нибудь белка, он берёт последовательность аминокислот, подбирает для каждой кодоны, удобные для клетки-хозяина, добавляет старт- и стоп-кодоны, промотор и сигналы начала трансляции и заказывает химический синтез такого гена. Именно так в 1978 году были созданы гены цепей человеческого инсулина для кишечной палочки.

31. Как тренироваться

Задачи на биосинтез белка — один из немногих разделов ЕГЭ, где результат почти полностью зависит от тренировки. Удобный порядок подготовки:

1. Первые дни — правила комплементарности и направления цепей: построить по 10–15 комплементарных цепей и иРНК, проверяя себя по смысловой цепи.
2. Затем — тип 1 во всех трёх вариантах (нижняя матричная, верхняя матричная, смысловая) и работа с таблицей кода до автоматизма.
3. После этого — задачи с тРНК и обратные задачи, где важнее всего переворот антикодона.
4. Далее — шпилька, мутации, сплайсинг, вирусы и оперон: по 3–5 задач каждой формы.
5. В конце — смешанные наборы на время: 7–10 минут на задачу, с полным оформлением ответа и проверкой по чек-листу.

Каждую решённую задачу полезно проверять обратным ходом: по полученной иРНК восстановить матричную цепь и сравнить с условием. Такая проверка занимает минуту и ловит почти все ошибки в направлениях и комплементарности.

32. Частые ошибки

• Урацил в ДНК или тимин в РНК. В ДНК — А, Т, Г, Ц; в РНК — А, У, Г, Ц.
• иРНК по смысловой цепи построена комплементарно. По смысловой цепи иРНК не строят комплементарно, а переписывают с заменой Т на У.
• Неправильное направление чтения. Кодоны читают от 5′-конца иРНК; если матрица записана 5′ → 3′, иРНК нужно перевернуть.
• Антикодон в таблице кода. Таблица — для кодонов иРНК.
• Антикодоны записаны одной сплошной строкой. Антикодоны принадлежат разным молекулам тРНК; их пишут отдельно.
• тРНК для стоп-кодона. Стоп-кодонам тРНК не соответствуют.
• Правило Чаргаффа для одной цепи или для РНК. Оно верно только для двуцепочечной ДНК.
• Шпилька без учёта антипараллельности. Участки стебля спариваются «встречно», и второй участок — это перевёрнутая комплементарная копия первого.

33. Интересные факты

• Первую в истории «задачу на биосинтез белка» в 1961 году решили в пробирке: поли-У дала белок из одного фенилаланина.
• Одну и ту же последовательность из 300 аминокислот могут кодировать порядка 10¹⁴³ разных иРНК.
• В случайной последовательности стоп-кодон попадается в среднем раз на 21 кодон, поэтому длинная открытая рамка — почти наверняка настоящий ген.
• У бактериофага φX174 некоторые гены перекрываются и читаются в разных рамках одного участка ДНК.
• Мутация серповидноклеточной анемии — замена одного-единственного нуклеотида из более чем трёх миллиардов пар генома.
• Гены, синтезированные химически по последовательности белка, стали основой первых генно-инженерных лекарств.
• Лейцин, серин и аргинин кодируются шестью кодонами каждый, а метионин и триптофан — только одним.
• Из 64 кодонов только три не кодируют аминокислот — это стоп-кодоны.

34. Частые вопросы

Как понять, какая цепь матричная, если в условии это не сказано?

В задачах ЕГЭ это всегда сказано прямо или следует из условия: например, «нижняя цепь — матричная», «дана смысловая цепь», или указано направление синтеза. Если в старых задачах цепь не указана, по традиции считают, что дана матричная цепь, записанная от 3′ к 5′, но в современных задачах так не бывает.

Нужно ли писать полные названия аминокислот?

Нет, достаточно трёхбуквенных сокращений из таблицы (Мет, Ала, Лиз…). Полные названия не ошибка, но тратят время.

Что делать, если трансляция должна начинаться с АУГ, а его нет в первом триплете?

Найти первый кодон АУГ в иРНК и начать деление на кодоны с него: всё, что до него, не транслируется. Так устроены задачи со шпилькой, с «плюс»-РНК и с опероном.

Почему антикодон записывают от 3′ к 5′?

Так его удобно выписывать прямо под кодоном: нуклеотиды стоят друг напротив друга, и сразу видна комплементарность. Это та же молекула, что и антикодон, записанный от 5′ к 3′, только прочитанная с другого конца.

Считать ли стоп-кодон, когда спрашивают о числе нуклеотидов иРНК?

Как сказано в условии. Если условие говорит, что ген транскрибируется вместе со стоп-кодоном, к числу нуклеотидов прибавляют 3. Если ничего не сказано, в ответе стоит указать, учтён ли стоп-кодон.

Можно ли решать задачи, не понимая теории?

Можно механически, но тогда легко попасть в ловушки: перепутать цепи, концы или антикодон с кодоном. Понимание того, что иРНК — копия смысловой цепи, а антикодон — участок другой молекулы, спаривающийся с кодоном, позволяет проверить себя на каждом шаге.

Почему в задачах с тРНК антикодоном считают триплет из центральной петли?

Потому что антикодон действительно расположен в центральной (антикодоновой) петле тРНК. В задаче дан участок ДНК, кодирующий эту петлю, а номер триплета-антикодона указан в условии.

Можно ли записывать иРНК без концов, если концы указаны у ДНК?

Нет. В современных критериях каждая последовательность нуклеиновой кислоты в ответе должна иметь указанное направление. Это несколько символов, но их отсутствие может стоить балла.

Нужно ли в задачах со шпилькой рисовать её?

Рисунок не обязателен, но удобен. Достаточно указать, какие участки (с номерами нуклеотидов и направлением) образуют стебель, сколько в нём пар и какие нуклеотиды образуют петлю.

Что значит «Ответ поясните»?

Нужно кратко указать, на каком основании получена каждая последовательность: «по принципу комплементарности», «иРНК антипараллельна матричной цепи», «по таблице генетического кода». Пояснение входит в элементы ответа.

Сколько времени тратить на задачу линии 27 на экзамене?

Обычно 7–10 минут, включая проверку. Если решение «не сходится» (появился лишний стоп-кодон, число нуклеотидов не делится на три), проверьте выбор матричной цепи и направление чтения — это две самые частые причины.

Что делать, если в условии много лишнего текста?

Выделить три вещи: какая цепь дана и какая из них матричная; с какого места начинается трансляция и где она заканчивается; что именно спрашивают. Остальное — подсказки и напоминания правил.

Влияет ли на оценку, как записаны аминокислоты — через дефис или через запятую?

Нет, важна правильность последовательности. Но аккуратная запись через дефис, как в таблице, помогает эксперту и вам самим.

Почему в задачах иногда дают «лишние» нуклеотиды до старт-кодона?

Чтобы проверить, умеете ли вы найти начало рамки. В настоящих иРНК перед старт-кодоном всегда есть некодирующий участок, на котором у бактерий садится рибосома, а у эукариот — кэп и участок, по которому рибосома скользит к АУГ.

Обязательно ли проверять ответ обратным ходом?

Не обязательно, но очень полезно. Построив по найденной иРНК матричную цепь и сравнив её с условием, вы за минуту поймаете почти любую ошибку в комплементарности или направлении.

Что делать, если две части ответа противоречат друг другу?

Например, иРНК записана верно, а аминокислоты определены по другой, ошибочной последовательности. Эксперт оценивает каждый элемент: верная иРНК будет засчитана, неверный полипептид — нет. Поэтому, найдя ошибку при проверке, исправьте всё, что от неё зависит, а не только одну строку.

35. ЕГЭ

Задачи этой статьи относятся к линии 27 второй части (до 3 баллов), а простые расчёты — к линии 3 первой части. Готовиться удобнее всего по формам: решить по пять-десять задач каждой формы, обращая внимание на оговорки условий. Перед экзаменом полезно ещё раз пройти чек-лист самопроверки и раздел о частых ошибках.

36. Для олимпиад

Шесть рамок считывания. Двуцепочечный участок ДНК может кодировать белок на любой из двух цепей и в любой из трёх рамок на каждой — всего шесть рамок. Открытой называют рамку, которая начинается со старт-кодона и не содержит стоп-кодонов на достаточно длинном участке. В случайной последовательности стоп-кодон встречается в среднем раз в 64 / 3 ≈ 21 кодон, поэтому длинная открытая рамка — признак настоящего гена. Так находят гены в прочитанных геномах.

Пример шести рамок. Для фрагмента 5ʹ-АТГЦАТТЦАТГ-3ʹ переводы во всех шести рамках (читая каждую цепь от её 5′-конца): верхняя цепь, рамка 1: Мет-Гис-Сер; верхняя цепь, рамка 2: Цис-Иле-Гис; верхняя цепь, рамка 3: Ала-Фен-Мет; нижняя цепь, рамка 1: Гис-Глу-Цис; нижняя цепь, рамка 2: Мет-Асн-Ала; нижняя цепь, рамка 3: стоп, затем Мет-Гис. Даже на коротком участке в разных рамках получаются совсем разные пептиды, а в одной из них сразу встречается стоп-кодон.

Перекрывающиеся гены. В 1977 году, прочитав весь геном бактериофага φX174 (5386 нуклеотидов), группа Фредерика Сэнгера обнаружила, что некоторые его гены перекрываются: один и тот же участок ДНК читается в двух разных рамках и кодирует два разных белка. Так маленькие вирусы экономят место в геноме. Неперекрываемость кода при этом не нарушается: в пределах каждой рамки кодоны не перекрываются, просто рамки сдвинуты.

Антисмысловые олигонуклеотиды. Лекарство-олигонуклеотид должно связаться с участком иРНК по принципу комплементарности. Чтобы закрыть участок иРНК 5′-ГАУУЦГАЦ-3′, нужен олигонуклеотид 3′-ЦУААГЦУГ-5′, то есть 5′-ГУЦГААУЦ-3′. Так, по сути, решают «задачу линии 27» при создании препаратов вроде нусинерсена, исправляющего сплайсинг при спинальной мышечной атрофии.

Сколько иРНК кодируют данный белок. Число вариантов равно произведению чисел кодонов для каждой аминокислоты. Для белка из 300 аминокислот со средней вырожденностью около трёх кодонов на аминокислоту это порядка 3³⁰⁰ ≈ 10¹⁴³ вариантов — больше, чем атомов во Вселенной. Поэтому биотехнологи свободно выбирают кодоны при синтезе генов.

37. Задания с разбором

Задание 1

Фрагмент ДНК имеет последовательность (нижняя цепь — матричная):

5ʹ-АТГТГГЦАТГАААЦГ-3ʹ
3ʹ-ТАЦАЦЦГТАЦТТТГЦ-5ʹ

Определите последовательность иРНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот фрагмента полипептида. Трансляция идёт с первого нуклеотида иРНК. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 2

Фрагмент ДНК имеет последовательность (верхняя цепь — матричная):

5ʹ-ГЦЦААЦАТГТГГ-3ʹ
3ʹ-ЦГГТТГТАЦАЦЦ-5ʹ

Определите последовательность иРНК и фрагмента полипептида. Трансляция идёт с первого нуклеотида иРНК. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 3

Фрагмент смысловой (кодирующей) цепи ДНК:

5ʹ-АТГЦАГТАЦГГА-3ʹ

Определите последовательность матричной цепи, иРНК и полипептида. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 4

Фрагмент ДНК, на котором синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет последовательность (нижняя цепь — матричная):

5ʹ-ТГАЦЦГАГГАААЦТГГ-3ʹ
3ʹ-АЦТГГЦТЦЦТТТГАЦЦ-5ʹ

Установите последовательность участка тРНК и аминокислоту, которую переносит эта тРНК, если антикодону соответствует четвёртый триплет с 5ʹ-конца. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 5

Антикодоны тРНК поступают к рибосоме в последовательности (каждый записан от 5ʹ- к 3ʹ-концу): ЦАУ, АГЦ, УУЦ, ЦЦА. Определите последовательность иРНК, кодирующей цепи ДНК и аминокислот. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 6

РНК бактерии образует шпильку за счёт комплементарных участков. После шпильки расположена открытая рамка считывания, которая начинается с первого после шпильки аланинового кодона. Фрагмент ДНК, на котором синтезируется участок этой РНК (нижняя цепь — матричная):

5ʹ-ТАЦГАГГЦАТЦТАГЦЦТЦГГТТГЦТГГТАТГААЦ-3ʹ
3ʹ-АТГЦТЦЦГТАГАТЦГГАГЦЦААЦГАЦЦАТАЦТТГ-5ʹ

Установите последовательность участка РНК, его вторичную структуру (учитывайте только пары А–У и Г–Ц), начало открытой рамки и фрагмент полипептида. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 7

Фрагмент смысловой цепи ДНК:

5ʹ-ТТЦГАГААГЦАТ-3ʹ

В результате мутации 5-й нуклеотид (счёт от 5ʹ-конца) заменён с А на Т. Определите иРНК и полипептид до и после мутации, назовите тип мутации и объясните, какое свойство генетического кода определяет её последствия. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 8

Фрагмент смысловой цепи ДНК:

5ʹ-АТГГЦТАААТЦТГГЦ-3ʹ

В результате мутации выпал 5-й нуклеотид (счёт от 5ʹ-конца). Определите полипептид до и после мутации и объясните последствия. Трансляцию ведите до стоп-кодона или до конца фрагмента, неполный триплет не учитывайте. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 9

Фрагмент смысловой цепи ДНК:

5ʹ-АТГААЦТАТГГГ-3ʹ

После 6-го нуклеотида в цепь встроился нуклеотид Т. Определите полипептид до и после мутации. Трансляцию ведите до стоп-кодона или до конца фрагмента. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 10

Участок гена эукариот содержит два экзона и интрон между ними; интрону соответствуют нуклеотиды с 7-го по 15-й (счёт от 5ʹ-конца верхней цепи). Нижняя цепь — матричная:

5ʹ-АТГАЦЦГТАТГЦТАГТГГАААЦЦА-3ʹ
3ʹ-ТАЦТГГЦАТАЦГАТЦАЦЦТТТГГТ-5ʹ

Определите пре-иРНК, зрелую иРНК и фрагмент полипептида. Первый нуклеотид первого экзона — первый нуклеотид первого кодона. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 11

Фрагмент геномной РНК ретровируса:

5ʹ-АУГГГУУАЦУЦЦ-3ʹ

Обратная транскриптаза синтезирует на ней первую цепь ДНК и достраивает вторую; с двуцепочечной ДНК транскрибируется вирусная РНК (матрица — первая цепь). Определите обе цепи ДНК, РНК и фрагмент белка (первый нуклеотид — начало первого кодона). Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 12

Фрагмент «плюс»-РНК коронавируса, которая служит иРНК:

5ʹ-ЦУАУГГААЦУГЦААУГАГГ-3ʹ

Определите «минус»-цепь, фрагмент полипептида и число аминокислот в нём, если трансляция начинается с первого кодона АУГ и заканчивается на первом стоп-кодоне. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 13

Два гена бактериального оперона транскрибируются с общего промотора. Фрагмент ДНК (нижняя цепь — матричная):

5ʹ-ГАТГЦЦГАТТТАГЦААТГААЦЦЦГТАГ-3ʹ
3ʹ-ЦТАЦГГЦТАААТЦГТТАЦТТГГГЦАТЦ-5ʹ

Определите иРНК и полипептиды, если каждая рамка начинается с АУГ и заканчивается первым стоп-кодоном. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 14

Белок бактерии состоит из 186 аминокислот; ген без интронов транскрибируется вместе со стоп-кодоном (нетранслируемые участки не учитывайте). Определите число нуклеотидов в иРНК, в двуцепочечном участке гена, число тРНК и число пептидных связей.

Задание 15

Ген эукариот содержит три экзона длиной 120, 87, 156 нуклеотидов и два интрона длиной 450 и 800 нуклеотидов. Последний кодон зрелой кодирующей последовательности — стоп-кодон. Определите длину пре-иРНК (только экзоны и интроны), зрелой кодирующей последовательности и число аминокислот в белке.

Задание 16

В матричной цепи участка ДНК 20 % нуклеотидов с аденином, 30 % с тимином, 35 % с гуанином и 15 % с цитозином. Определите процентный состав иРНК, синтезированной на этом участке.

Задание 17

Фрагмент иРНК:

5ʹ-АУГУУГГЦАЦЦУ-3ʹ

Определите последовательности обеих цепей участка ДНК, с которого транскрибирована эта иРНК, и фрагмент полипептида. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 18

Сколько разных последовательностей иРНК могут кодировать трипептид Мет-Трп-Лиз? А трипептид Лей-Сер-Арг? Объясните, почему по белку нельзя однозначно восстановить ген.

Задание 19 (олимпиадное)

Фрагмент иРНК бактериофага:

5ʹ-АУГГАУГЦАУГАЦУГ-3ʹ

Определите полипептиды, которые кодирует этот фрагмент в каждой из трёх возможных рамок считывания (с 1-го, 2-го и 3-го нуклеотида; неполные триплеты и всё после стоп-кодона не учитывайте). Какое свойство кода нарушается, если ген читается в двух рамках сразу? Известны ли такие примеры? Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Задание 20 (олимпиадное)

Ген бактерии из 900 пар нуклеотидов (включая стоп-кодон) транскрибируется со скоростью 45 нуклеотидов в секунду, а трансляция идёт со скоростью 15 аминокислот в секунду. Сколько аминокислот в белке? Сколько времени займёт транскрипция гена и трансляция одной иРНК? Сколько белков синтезируется за 10 минут с одной иРНК, если на ней одновременно работают 10 рибосом?

Литература

1. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
2. Freeland S. J., Hurst L. D. The genetic code is one in a million // Journal of Molecular Evolution. 1998. Vol. 47. P. 238–248.
3. Crick F. H. C., Barnett L., Brenner S., Watts-Tobin R. J. General nature of the genetic code for proteins // Nature. 1961. Vol. 192. P. 1227–1232.
4. Min Jou W., Haegeman G., Ysebaert M., Fiers W. Nucleotide sequence of the gene coding for the bacteriophage MS2 coat protein // Nature. 1972. Vol. 237. P. 82–88.
5. Sanger F., Air G. M., Barrell B. G. et al. Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 DNA // Nature. 1977. Vol. 265. P. 687–695.