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

Введение

Задачи по биосинтезу белка в ЕГЭ по биологии существуют с момента введения ЕГЭ как обязательного экзамена. В 2022 году биосинтезу белка посвящены задания №3 и №27. Однако в заданиях №3 и №27 иногда встречаются темы, посвященные хромосомному материалу и делению клеток. Им будет посвящена отдельная книга.

В любом случае, важно уметь быстро и точно решать задачи по биосинтезу белка, так как они встречаются примерно в половине случаев в заданиях №3 и №27. Верное выполнение задания №3 дает 1 первичный балл, а задания №27 – 3 первичных балла. Стоит учесть, что при наличии должных навыков выполнение этих заданий занимает не более 5 минут, экономя время для решения более сложных заданий.

По сути, чтобы успешно решать задания на синтез белка требуются следующие умения:

1. Знание теоретических основ синтеза белка

2. Умение составлять нуклеотидные последовательности

3. Умение пользоваться таблицей генетического кода

4. Знание правил оформления заданий в 2022 году

5. Знание свойств генетического кода

Также вам потребуется внимательность, внимательность и еще раз внимательность. Почему важна внимательность? Задание №3 выполняется в среднем в 75% случаев, а задание №27 – в среднем в 40% случаев. Причем большинство ошибок – это ошибки на внимательность. Несмотря на простоту и шаблонность заданий, они не так часто, как хотелось бы, выполняются верно.

Данная книга поможет вам в самостоятельной подготовке к заданиям №3 и №27. В Разделе 1 мы изучим необходимые теоретические основы и научимся решать задания №3. В Разделе 2 мы научимся решать базовую задачу на синтез белка и разберем правила оформления на 5`-концы и 3`-концы. В Разделе 3 научимся решать 5 наиболее частых моделей задач, встречающихся на реальном ЕГЭ. В Разделе 4 представлены разнообразные нестандартные задачи на синтез белка. Все задачи приводятся с ответами или краткими решениями. В Приложении содержится таблица генетического кода, правила оформления задач в 2022 году и свойства генетического кода.

Книга построена по принципу «от простого к сложному». Предполагается, что у читателя есть базовые знания по цитологии. Я рекомендую начать изучать данную книгу с самого начала всем, даже если вы имеете опыт решения подобных задач.

Любые вопросы или замечания я буду крайне рад получить по электронной почте egorsovetnikov@mail.ru или в социальной сети «Вконтакте» vk.com/egorsovetnikov

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.