Биосинтез белка — один из ключевых процессов пластического обмена, который проверяется во второй части ЕГЭ по биологии. В задании 27 часто теряют баллы из-за путаницы с 5′- и 3′-концами, а также из-за невнимательной работы с таблицей генетического кода. В этой статье разберём теорию процесса трансляции и транскрипции и дадим чёткие алгоритмы для решения типичных экзаменационных задач.
Пластический обмен и его роль
Клетке постоянно нужны новые мембраны, ферменты, транспортные каналы и защитные структуры. Для постройки требуются аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.
Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм) — это совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых молекул. Этот процесс всегда идёт с обязательной затратой энергии в виде АТФ.
Важнейший химический процесс пластического обмена — биосинтез белка. Белки выполняют в организме подавляющее большинство функций: от иммунной до каталитической. Формирование белков лежит в основе реализации генетической информации. Молекулы ДНК хранят инструкцию, а клетка по ней собирает готовые полипептидные структуры.
Основные участники биосинтеза
Ген — структурно-функциональная единица генетического материала, участок ДНК, в котором закодирована последовательность аминокислот в белке.
- ДНК не выходит из ядра (митохондрий, хлоропластов), белок синтезируется только в цитоплазме, наследственная информация переписывается на иРНК (мРНК) (транскрипция).
- иРНК — посредник между ДНК и местом синтеза белка.
- Белок синтезируется рибосомами с матрицы иРНК (мРНК) (трансляция).
Для лучшего понимания процесса нужно знать, какие структуры и молекулы в нём задействованы:
- ДНК — носитель исходной матрицы, хранящий информацию о структуре всех белков;
- информационная РНК (иРНК) — временная копия фрагмента ДНК, переносящая инструкцию к месту сборки белка;
- транспортная РНК (тРНК) — молекула, которая доставляет конкретную аминокислоту к месту синтеза;
- рибосомы — органоиды, собирающие белок подобно конвейеру;
- аминокислоты — мономеры, из которых состоит полипептидная цепь;
- АТФ — универсальный источник энергии.
Этапы биосинтеза белка
Процесс проходит в два основных этапа.
Транскрипция — создание молекулы иРНК по матрице одной из цепей ДНК. Фермент РНК-полимераза расплетает спираль ДНК и по принципу комплементарности выстраивает новую цепь РНК. После завершения копирования иРНК отсоединяется и направляется в цитоплазму. Транскрипция происходит в ядре клетки в три этапа.
- Инициация
Фермент РНК-полимераза узнаёт промотор (специальная стартовая последовательность нуклеотидов) и прикрепляется к нему.
Спираль ДНК раскручивается.- Элонгация
РНК-полимераза продвигается по транскрибируемой цепи ДНК, достраивая РНК по принципу комплементарности в направлении от 5′ к 3′.- Терминация
РНК-полимераза узнаёт стоп-сигнал (терминатор) и отсоединяется от ДНК.
Готовая РНК отсоединяется от ДНК.
ДНК восстанавливает двойную спираль.
Трансляция протекает в цитоплазме клетки на рибосомах. Здесь происходит перевод нуклеотидной последовательности в аминокислотную. Рибосома садится на нить иРНК и считывает её по три нуклеотида (кодонами). Одновременно молекулы тРНК приносят аминокислоты. Каждая тРНК имеет специфический антикодон, который должен совпасть с кодоном иРНК. При совпадении аминокислота присоединяется к растущей белковой цепи. Рассмотрим этапы на примере синтеза белка в эукариотической клетке.
- Инициация
Малая и большая субъединицы рибосом присоединяются к иРНК.
Узнавание старт-кодона 5′-АУГ-3′.
тРНК с метионином попадает в пептидильный участок рибосомы.- Элонгация
Транспептидация — перенос растущего пептида на новоприбывшую аминокислоту. Транслокация — шаг рибосомы на один триплет.- Терминация
Узнавание стоп-кодона. Отсоединение готового белка от иРНК и рибосомы.
Базовые правила для решения задач
Чтобы уверенно решать задачи, нужно знать следующие принципы:
- Принцип комплементарности. Напротив аденина (А) всегда встаёт тимин (Т) в молекуле ДНК или урацил (У) в молекуле РНК. Напротив гуанина (Г) располагается цитозин (Ц).
- Антипараллельность цепей. Молекулы нуклеиновых кислот имеют чёткое направление: от 5′-конца к 3′-концу. Две цепи ДНК антипараллельны друг другу (одна идёт от 5′ к 3′, вторая от 3′ к 5′). Чтение матричной (транскрибируемой) цепи ферментами идёт строго от 3′ к 5′, а синтез любой новой нуклеиновой кислоты происходит от 5′ к 3′. В решениях задач ЕГЭ обязательно нужно указывать штрих-концы.
- Свойства генетического кода. Код обладает триплетностью (одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами), вырожденностью (аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов) и универсальностью. Также существуют стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА), при попадании на которые рибосома останавливает сборку полипептида.
Разбор заданий из ЕГЭ
Задание 1
Установите последовательность процессов транскрипции. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.
- РНК-полимераза отсоединяется от ДНК
- РНК-полимераза соединяется с промотором
- выход РНК через ядерные поры
- созревание иРНК
- синтез РНК
- водородные связи между цепями ДНК разрушаются
Решение
2 — РНК-полимераза соединяется с промотором (инициация).
6 — Водородные связи между цепями ДНК разрушаются, двойная спираль раскручивается.
5 — Синтез РНК (элонгация) по принципу комплементарности.
1 — РНК-полимераза отсоединяется от ДНК (терминация).
4 — Созревание иРНК (процессинг и сплайсинг).
3 — Выход РНК через ядерные поры в цитоплазму.Ответ: 625143.
Задание 2
Сколько аминокислот кодирует 900 нуклеотидов? В ответ запишите только соответствующее число.
Решение
Генетический код триплетен — одну аминокислоту кодируют 3 нуклеотида.
Поскольку три нуклеотида кодируют одну аминокислоту, то 900 нуклеотидов кодируют 300 аминокислот (900 : 3 = 300).Ответ: 300.
Задания для тренировки
Задача 1
Сколько нуклеотидов во фрагменте матричной цепи ДНК кодируют 55 аминокислот во фрагменте полипептида? В ответе запишите только соответствующее число.
Одну аминокислоту в полипептиде кодируют три нуклеотида в матричной цепи ДНК.
1 аминокислоту кодируют 3 нуклеотида, 55 аминокислот кодируют 165 нуклеотидов (55 · 3 = 165).
Ответ: 165.
Задача 2
Установите последовательность процессов при биосинтезе белка в клетке.
- Образование пептидной связи между аминокислотами.
- Взаимодействие кодона иРНК и антикодона тРНК.
- Выход тРНК из рибосомы.
- Соединение иРНК с рибосомой.
- Выход иРНК из ядра в цитоплазму.
- Синтез иРНК.
6 — Синтез иРНК (транскрипция) — молекула информационной РНК синтезируется на матрице ДНК в ядре.
5 — Выход иРНК из ядра в цитоплазму — готовая иРНК покидает ядро через ядерные поры.
4 — Соединение иРНК с рибосомой — начинается трансляция: рибосома присоединяется к иРНК.
2 — Взаимодействие кодона иРНК и антикодона тРНК — происходит распознавание, при котором тРНК доставляет нужную аминокислоту.
1 — Образование пептидной связи между аминокислотами — аминокислоты соединяются друг с другом, формируя полипептидную цепь.
3 — Выход тРНК из рибосомы — молекула тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому.
Ответ: 654213.
Заключение
После изучения материала ты понимаешь механизмы пластического обмена клетки. Теперь ты умеешь применять правило антипараллельности, высчитывать количество нуклеотидов и аминокислот в цепи и находить верную последовательность. Именно эти навыки позволяют без ошибок справляться с вычислениями и обоснованиями.
Чтобы закрепить тему и потренироваться в решении заданий второй части, рассмотри задания линии 27 из нашего банка заданий — там собраны прототипы разного уровня сложности из реальных вариантов.
