Решение задач на биосинтез
статья по биологии (10 класс)

Решение задач на биосинтез

• Для решения задач с использованием таблицы генетического кода необходимо помнить следующие правила и принципы:

1. Смысловая и транскрибируемая цепи ДНК антипараллельны.
2. Смысловая цепь начинается с 5´- конца, а транскрибируемая – с 3 ´- конца
3. Кодоны и антикодоны принято писать с 5 ´- конца на 3 ´- конец.
4. В таблице генетического кода кодоны записаны с 5 ´- конца на 3 ´- конец.
5. Транскрипция идёт в направлении 3 ´ → 5´, а трансляция в направлении 5 ´ → 3 ´.
6. В молекулярной биологии принято писать смысловую цепь ДНК сверху, а транскрибируемую цепь под ней.

Принцип комплементарности лежит в основе процессов синтеза всех нуклеиновых кислот. Впервые модель синтеза нуклеиновой кислоты предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик одновременно с моделью двойной спирали ДНК. Они предположили, что благодаря принципу комплементарности старая молекула может служить матрицей для синтеза новых идентичных молекул.  Это возможно благодаря тому, что водородные связи между цепями ДНК гораздо слабее ковалентных и могут быть разрушены. На это тратится энергия — в клетке в качестве ее источника используется АТФ, в пробирке цепи можно разделить простым нагреванием. Этот процесс называется плавлением, или денатурацией ДНК.

После разделения цепей «обнажаются» азотистые основания, не связанные более водородными связями. Они могут провзаимодействовать по принципу комплементарности с новыми нуклеотидами, которые станут звеньями дочерних цепей. При этом каждая из двух материнских цепочек становится матрицей для синтеза дочерней цепи. В результате получаются две дочерние двойные спирали ДНК, идентичные исходной молекуле. Принцип матричного синтеза лежит в основе синтеза всех существующих в клетке нуклеиновых кислот (как ДНК, так и РНК).

В дальнейшем оказалось, что полного расхождения нитей ДНК не происходит, расплетается только небольшой фрагмент ДНК, на нем происходит поочередное присоединение нуклеотидов. Расплетенный участок материнской молекулы, где идет наращивание новых цепей, называют репликативной вилкой. Каждый очередной новый нуклеотид подбирается по принципу комплементарности к находящемуся против него нуклеотиду матричной нити. Для синтеза ДНК используются нуклеотиды, содержащие дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин, гуанин, цитозин и тимин. Этот процесс называется удвоением, или репликацией ДНК. Его осуществляет фермент ДНК-зависимая ДНК-полимераза (ДНК-зависимая означает, что она использует ДНК в качестве матрицы), или просто ДНК-полимераза (но существуют и РНК-зависимые ДНК-полимеразы, например у ретровирусов).

направление синтеза

Синтез новой цепи начинается с 5’-конца, новые нуклеотиды присоединяются всегда к 3’-концевому нуклеотиду, к его свободной ОН-группе. При этом комплекс белков, синтезирующий ДНК, двигается вдоль матричной нити в направлении от 3' к 5', постепенно расплетая новые участки двойной спирали. Новые данные экспериментов показывают, что, скорее, наоборот, ДНК протягивается сквозь статичную «фабрику репликации» — совокупность осуществляющих репликацию белков. Так продолжается до полного завершения удвоения всей молекулы ДНК. 

Расплетание материнской молекулы АТФ-зависимо осуществляет фермент ДНК-хеликаза (от helix — спираль). На обнаженных матричных цепях праймаза синтезирует РНК-затравки, или праймеры — короткие участки РНК. 3'-концы праймеров удлиняются ДНК-полимеразами. У прокариот основной репликативной полимеразой является РНК-полимераза III. У эукариот больше типов ДНК-полимераз, они обозначаются греческими буквами.

Основная репликативная ДНК-полимераза должна быть процессивна, то есть синтезировать очень длинный фрагмент ДНК без «соскоков» с матрицы и обладать свойством проверки ошибок — proofreading. Оно заключается в том, что при случайном присоединении некомплементарного нуклеотида ДНК-полимераза отщепляет его от растущей цепи. Это обеспечивает fidelity — точность синтеза.

Особенностью синтеза ДНК является невозможность его начала «с нуля». Все ДНК-полимеразы узнают и удлиняют уже существующий 3'-конец молекулы, спаренной с матрицей. Поэтому им нужна затравка, или праймер — любая молекула, которая комплементарно связана с матрицей и 3'-конец которой можно удлинять, руководствуясь этой матрицей. Так как синтез РНК происходит беззатравочно, в клетке роль праймеров играет РНК. Эти короткие фрагменты РНК синтезирует специфическая РНК-полимераза — праймаза.

На одной из цепей направление синтеза ДНК (от 3' к 5' по матрице) совпадает с направлением расплетания ДНК (движения вилки). Эта цепь называется лидирующей, на ней синтез происходит непрерывно. На другой цепи направление синтеза ДНК противоположно направлению расплетания, так что синтез происходит фрагментами, по мере расплетания все новых и новых участков матрицы. Эта цепь называется отстающей, а фрагменты, по имени открывшего их исследователя, называют фрагментами Оказаки. Каждый фрагмент Оказаки начинается со своей затравки; между ними остаются незамкнутые связи (бреши). Затравки удаляются РНКазой Н (от hybrid — РНК-ДНК-гибрид), вместо нее ДНК-полимераза I (репаративная) синтезирует РНК. Фрагменты соединяются между собой ДНК-лигазой. После удаления всех затравок и залечивания всех брешей новая ДНК полностью готова.

Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая).

5’-ЦГААГГТГАЦААТГТ-3’

3’-ГЦТТЦЦАЦТГТТАЦА-5’.

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, обозначьте 5’ и 3’ концы этого фрагмента и определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет с 5’ конца соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Правила пользования таблицей

Первый нуклеотид в триплете берётся из левого вертикального ряда; второй  — из верхнего горизонтального ряда и третий  — из правого вертикального. Там, где пересекутся линии, идущие от всех трёх нуклеотидов, и находится искомая аминокислота.

1.  Нуклеотидная последовательность участка тРНК (верхняя цепь по условию смысловая):

ДНК: 3’-ГЦТ-ТЦЦ-АЦТ-ГТТ-АЦА-5’

тРНК: 5’-ЦГА-АГГ-УГА-ЦАА-УГУ-3’.

2.  Нуклеотидная последовательность антикодона УГА (по условию третий триплет) соответствует кодону на иРНК УЦА.

3.  По таблице генетического кода этому кодону соответствует аминокислота -Сер, которую будет переносить данная тРНК.

Примечание.

1.  По фрагменту молекулы ДНК определяем нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте.

ДНК: 3’-ГЦТ-ТЦЦ-АЦТ-ГТТ-АЦА-5’

тРНК: 5’-ЦГА-АГГ-УГА-ЦАА-УГУ-3’.

На ДНК с 3' конца строится тРНК с 5'  — конца.

2.  Определяем кодон иРНК, который будет комплементарен триплету тРНК в процессе биосинтеза белка.

Если третий триплет соответствует антикодону тРНК 5’- УГА-3’ , для нахождения иРНК сначала произведем запись в обратном порядке от 3’ → к 5’ получим 3’-АГУ-5’, определяем иРНК: 5'-УЦА-3'.

3.  По таблице генетического кода кодону 5'-УЦА-3' соответствует аминокислота -Сер, которую будет переносить данная тРНК.

Пояснение к строению ДНК в условии.

Двойная спираль ДНК. Две антипараллельные (5’  — конец одной цепи располагается напротив 3’  — конца другой) комплементарные цепи полинуклеотидов, соединенной водородными связями в парах А-Т и Г-Ц, образуют двухцепочечную молекулу ДНК. Молекула ДНК спирально закручена вокруг своей оси. На один виток ДНК приходится приблизительно 10 пар оснований.

Смысловая цепь ДНК  — последовательность нуклеотидов в цепи кодирует наследственную информацию.

Транскрибируемая (антисмысловая) цепь по сути является копией смысловой цепи ДНК. Служит матрицей для синтеза иРНК (информацию о первичной структуре белка), тРНК, рРНК, регуляторной РНК.

Богданова Т.Л., Солодова Е.А. –Биология/ справочник для старшеклассников и поступающих в вузы-М: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА,2002

https://foxford.ru/wiki/biologiya/biosintez-nukleinovyh-kislot-replikatsiya-dnk?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

https://4ege.ru/biologi/62323-pamjatka-po-resheniju-zadanija-27-biologija.html

https://bio-ege.sdamgia.ru/test?filter=all&category_id=368