Задачі з молекулярної біології: від ДНК до білка

Цей алгоритм — твій головний інструмент для всіх задач на транскрипцію і трансляцію. Він складається з п'яти кроків, які ведуть від ланцюга ДНК до готового поліпептиду. Запам'ятай їх як послідовні дії, і жодне завдання не здасться складним.

Крок 1. Який ланцюг ДНК дано?

В умові можуть подати або матричний ланцюг (той, із якого безпосередньо транскрибується іРНК), або кодувальний (нетранскрибований, що за послідовністю збігається з іРНК, тільки замість У має Т). Напрям запису (3′→5′ чи 5′→3′) не визначає, який ланцюг матричний: будь-який ланцюг можна записати в обох напрямках. РНК-полімераза зчитує матричний ланцюг у напрямку 3′→5′, тож іРНК комплементарна й антипаралельна йому; який ланцюг матричний, визначай з умови задачі. Уважно читай умову: іноді прямо вказано «матричний ланцюг» або «кодувальний ланцюг».

Крок 2. Запиши іРНК за комплементарністю

Якщо дано матричний ланцюг ДНК (3′→5′), іРНК (5′→3′) будується за правилом комплементарності:

• А (ДНК) → У (іРНК)

• Т (ДНК) → А (іРНК)

• Г (ДНК) → Ц (іРНК)

• Ц (ДНК) → Г (іРНК)

Якщо дано кодувальний ланцюг ДНК (5′→3′), просто заміни всі Т на У — і отримаєш іРНК.

Крок 3. Поділи іРНК на триплети

Розбий послідовність іРНК на групи по три нуклеотиди, починаючи з першого нуклеотида. Якщо в умові сказано, що синтез починається зі старт-кодону АУГ, знайди його в послідовності й діли триплети від нього. Кожен триплет називається кодоном.

Крок 4. Визнач амінокислоти за таблицею генетичного коду

Для кожного кодону знайди відповідну амінокислоту за таблицею, яку дають в умові. Стоп-кодони (УАА, УАГ, УГА) не кодують жодної амінокислоти — вони сигналізують про завершення синтезу поліпептиду. Перший кодон АУГ кодує метіонін і водночас є старт-кодоном.

Крок 5. Визнач антикодони тРНК

У шкільній моделі строгої комплементарності антикодон тРНК (3′→5′) відповідає кодону іРНК (5′→3′). На практиці це означає, що антикодон збігається з матричним триплетом ДНК (3′→5′), у якому Т замінено на У. До стоп-кодону тРНК не існує — трансляція на ньому завершується без участі тРНК.

Розв'язаний приклад

Дано матричний ланцюг ДНК: 3′-ТАЦ-ГГА-ААТ-ЦЦГ-АТТ-5′.

Крок 2: іРНК 5′-АУГ-ЦЦУ-УУА-ГГЦ-УАА-3′.

Крок 3–4: кодони: АУГ (метіонін), ЦЦУ (пролін), УУА (лейцин), ГГЦ (гліцин), УАА (стоп).

Послідовність амінокислот: Мет-Про-Лей-Глі.

Крок 5: антикодони тРНК у напрямку 3′→5′: УАЦ, ГГА, ААУ, ЦЦГ — чотири акти доставки амінокислот тРНК.

Важливо: відповідь записуй у тому ж порядку, що й умова. іРНК читають від 5′ до 3′, і перша амінокислота відповідає першому кодону. Це називається колінеарністю — лінійна послідовність нуклеотидів у гені визначає лінійну послідовність амінокислот у білку.

Не всі задачі дають ДНК і просять білок. Іноді треба зробити навпаки: за відомим фрагментом білка визначити можливу послідовність іРНК або ДНК. Тут на тебе чекає головна складність — виродженість генетичного коду.

Виродженість коду: чому однозначної відповіді немає

Генетичний код вироджений: одну амінокислоту можуть кодувати кілька різних кодонів. Наприклад, гліцин (Глі) кодують чотири кодони: ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ. Аланін (Ала) — теж чотири: ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ. Тому для дипептиду Глі-Ала існує 4 × 4 = 16 різних варіантів іРНК. Однозначно визначаються лише кодони метіоніну (АУГ) і триптофану (УГГ) — для них немає синонімічних кодонів.

Стратегія розв'язання: перевірка «уперед»

У завданні з варіантами відповіді не намагайся побудувати всі можливі послідовності — це займе багато часу. Натомість перевіряй кожен варіант «уперед»: візьми запропоновану іРНК (або ДНК), переведи її в пептид за алгоритмом і порівняй з умовою. Якщо пептиди збігаються — варіант правильний. Це набагато швидше.

Від іРНК до дволанцюгової ДНК

Якщо в умові дано іРНК і просять відновити фрагмент гена:

• Матричний ланцюг ДНК будується за комплементарністю до іРНК: А→Т, У→А, Г→Ц, Ц→Г.

• Кодувальний ланцюг ДНК збігається з іРНК, тільки замість У стоїть Т.

• Разом ці два ланцюги утворюють дволанцюговий фрагмент гена.

Мінімальна довжина ділянки гена

Коли в задачі питають «мінімальну довжину ділянки гена», мають на увазі лише кодувальну частину без інтронів, регуляторних ділянок і (залежно від умови) без стоп-кодону. Розрахунок простий:

• Пептид із 5 амінокислот ↔ 5 кодонів ↔ 15 нуклеотидів іРНК ↔ 15 пар нуклеотидів ДНК.

• Довжина: 15 пар × 0,34 нм = 5,1 нм.

• Якщо врахувати стоп-кодон: 18 пар × 0,34 нм = 6,12 нм.

Слово «мінімальна» означає, що не враховано інтрони, регуляторні ділянки та (якщо не вказано) стоп-кодон. У реальному гені еукаріотів довжина буде значно більшою.

У кількісних задачах треба оперувати числами: скільки кодонів, нуклеотидів іРНК, пар нуклеотидів ДНК, яка довжина ділянки гена. Тут важливо чітко розуміти, що дано в умові, і не плутати нуклеотиди одного ланцюга з парами нуклеотидів.

Основні співвідношення

Акти доставки амінокислот тРНК дорівнюють кількості амінокислот, бо кожну амінокислоту приносить одна молекула тРНК. Самі молекули тРНК використовуються повторно.

Довжина ділянки гена

Довжина ділянки гена = кількість пар нуклеотидів × 0,34 нм. Рахують за одним ланцюгом, бо два ланцюги ДНК ідуть поруч і займають таку саму довжину, як один. Це правило ти вже знаєш із уроку «Задачі на правило Чаргаффа і довжину молекули ДНК».

Маса білка і гена

Середні маси залишків амінокислоти й нуклеотида беруть з умови задачі. Наприклад, білок із 150 амінокислот при умовній масі залишку 100 має масу близько 15 000. Ділянка гена без стоп-кодону — 450 пар, тобто 900 нуклеотидів, маса 900 × 345 = 310 500. Детальніше ці розрахунки розглядаються в уроці «Вправи на молекулярну масу білків і нуклеїнових кислот».

Гени еукаріотів з інтронами

У генах еукаріотів є інтрони — ділянки, які вирізаються під час сплайсингу і не потрапляють у зрілу іРНК. Їх треба віднімати.

Приклад: транскрибована ділянка має 2 400 пар нуклеотидів, 25 % — інтрони. Екзони: 2 400 × 0,75 = 1 800 пар. За умовою всі 1 800 нуклеотидів екзонів становлять лише кодувальну послідовність зі стоп-кодоном. Отже, 1 800 ÷ 3 = 600 кодонів, з яких один — стоп-кодон. Амінокислот: 600 − 1 = 599.

Обернена задача: кодувальна ділянка іРНК із 912 нуклеотидів разом зі стоп-кодоном, без нетрансльованих ділянок. 912 ÷ 3 = 304 кодони, амінокислот: 304 − 1 = 303. Ділянка гена без інтронів — 912 пар, її довжина 912 × 0,34 = 310,08 нм.

Завжди виписуй, що дано: нуклеотиди одного ланцюга чи обох, пари чи нуклеотиди, враховано стоп-кодон чи ні. Дистрактори в тестах побудовано саме на цих пропусках.

Зміна послідовності нуклеотидів у гені може по-різному вплинути на білок. Розрізняють три типи наслідків заміни одного нуклеотида і два типи наслідків вставки/випадіння.

Заміна одного нуклеотида

Коли в кодувальній послідовності один нуклеотид замінюється на інший, змінюється лише один кодон (якщо не порушено сплайсинг чи регуляцію). Можливі три варіанти:

Серпоподібноклітинна анемія — класичний приклад місенс-мутації

У гені β-глобіну відбувається заміна: в іРНК кодон ГАГ (глутамінова кислота) стає ГУГ (валін) у 6-й позиції зрілого білка. Ініціаторний метіонін до цієї нумерації не входить. Гемоглобін змінює просторову структуру, еритроцити набувають форми серпа, що спричиняє тяжкі клінічні наслідки.

Вставка або випадіння нуклеотидів

Вставка або випадіння одного нуклеотида зсуває рамку зчитування: змінюються всі кодони після місця мутації, і нерідко рано виникає стоп-кодон.

Приклад: іРНК 5′-АУГ-ЦЦУ-УУА-ГГЦ-3′ кодує Мет-Про-Лей-Глі. Якщо випав перший Ц другого кодону, отримуємо: АУГ-ЦУУ-УАГ-ГЦ… → Мет-Лей, стоп. Білок обривається на другій амінокислоті.

Вставка чи випадіння трьох нуклеотидів рамки не зсуває: додається або зникає одна амінокислота, а на межі кодонів можуть змінитися й сусідні. Тяжкість наслідків залежить від місця зміни, а не лише її довжини.

Класифікацію мутацій (генні, хромосомні, геномні; соматичні й генеративні) розглядає урок «Мутації» курсу «Мінливість, селекція і біотехнологія». Тут ми зосереджуємося лише на тому, як зміна в гені змінює білок.

Приклад 1. Визначення амінокислот за матричним ланцюгом ДНК

Умова: Дано матричний ланцюг ДНК: 3′-ТАЦ-ЦГА-ААА-ГТЦ-5′. Визнач послідовність амінокислот у поліпептиді, використовуючи фрагмент таблиці генетичного коду (подано в умові).

Розв'язання:

• Будуємо іРНК за комплементарністю: А→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г. Отримуємо 5′-АУГ-ГЦУ-УУУ-ЦАГ-3′.

• Ділимо на кодони: АУГ, ГЦУ, УУУ, ЦАГ.

• За таблицею: АУГ — метіонін (Мет), ГЦУ — аланін (Ала), УУУ — фенілаланін (Фен), ЦАГ — глутамін (Глн).

• Відповідь: Мет-Ала-Фен-Глн.

Чому інші варіанти неправильні:

• Тир-Арг-Ліз-Вал — матрицю прочитали як іРНК, не застосувавши комплементарність.

• Асп-Фен-Сер-Вал — іРНК прочитали з кінця (3′→5′ замість 5′→3′).

• Три-Лей-Сер — почали зчитування з другого нуклеотида, зсунувши рамку (УГГ-ЦУУ-УЦА-Г…).

Приклад 2. Мінімальна довжина ділянки гена

Умова: Фрагмент білка складається з 5 амінокислот. Яка мінімальна довжина ділянки гена (у нм), що кодує цей фрагмент, без урахування стоп-кодону? Відстань між сусідніми парами нуклеотидів — 0,34 нм.

Розв'язання:

• 5 амінокислот = 5 кодонів = 15 нуклеотидів іРНК = 15 пар нуклеотидів ДНК.

• Довжина: 15 × 0,34 = 5,1 нм.

Чому інші варіанти неправильні:

• 1,7 нм — не помножили на 3 (порахували 5 пар замість 15).

• 10,2 нм — порахували нуклеотиди обох ланцюгів (30 × 0,34), а треба пари.

• 6,12 нм — додали стоп-кодон усупереч умові «без стоп-кодону».

Приклад 3. Наслідки заміни нуклеотида

Умова: У результаті заміни одного нуклеотида кодон іРНК ГАГ став ГУГ. Як це вплине на поліпептид? Використай таблицю генетичного коду з умови.

Розв'язання: Кодон ГАГ кодує глутамінову кислоту, а ГУГ — валін. Змінюється лише одна амінокислота в 6-й позиції β-глобіну (класичний приклад серпоподібноклітинної анемії). Решта ланцюга не змінюється, бо заміна торкнулася лише одного кодону.

Чому інші варіанти неправильні:

• «Зміняться всі амінокислоти після місця мутації» — це наслідок зсуву рамки, а не заміни.

• «Синтез обірветься на цьому кодоні» — ГУГ не є стоп-кодоном.

• «Нічого не зміниться, бо код вироджений» — глутамінова кислота і валін кодуються різними кодонами, це не синонімічна заміна.

Приклад 4. Інтрони й кількість амінокислот

Умова: Транскрибована ділянка гена еукаріота має 2 400 пар нуклеотидів. 25 % цієї ділянки становлять інтрони. Решта — лише кодувальна послідовність, яка включає стоп-кодон. Скільки амінокислот у поліпептиді?

Розв'язання:

• Екзони: 2 400 × 0,75 = 1 800 пар нуклеотидів.

• Кількість кодонів: 1 800 ÷ 3 = 600.

• Один кодон — стоп-кодон, тому амінокислот: 600 − 1 = 599.

Чому інші варіанти неправильні:

• 800 — не врахували ні інтрони, ні стоп-кодон (2 400 ÷ 3).

• 600 — забули відняти стоп-кодон.

• 1 199 — порахували нуклеотиди обох ланцюгів екзонів (3 600 ÷ 3 = 1 200, мінус 1).

Приклад 5. Випадіння нуклеотида і зсув рамки

Умова: З іРНК 5′-АУГ-ЦЦУ-УУА-ГГЦ-3′ випав перший нуклеотид другого кодону. Який пептид синтезується? Використай таблицю генетичного коду з умови.

Розв'язання:

• Вихідна іРНК: АУГ-ЦЦУ-УУА-ГГЦ. Кодує: Мет-Про-Лей-Глі.

• Після випадіння першого Ц другого кодону: АУГ-ЦУУ-УАГ-ГЦ… (залишок).

• Нові кодони: АУГ (Мет), ЦУУ (Лей), УАГ (стоп).

• Відповідь: Мет-Лей, далі стоп.

Чому інші варіанти неправильні:

• «Мет-Про-Лей-Глі» — мутацію проігнорували.

• «Мет-Лей-Глі» — вважали, що зникла лише одна амінокислота, а не зсунулася рамка.

• «Мет-Про-Лей» — вважали, що втрачено останню амінокислоту, а не другу.

• Забувають стоп-кодон, коли умова вимагає його врахувати, або додають для нього амінокислоту. Стоп-кодон не кодує жодної амінокислоти — він лише сигнал завершення.

• Рахують довжину ділянки гена за двома ланцюгами, множачи на 0,34 нм кількість усіх нуклеотидів. Правильно: множити кількість пар нуклеотидів (або нуклеотидів одного ланцюга) на 0,34 нм.

• Читають матричний ланцюг ДНК як іРНК або шукають у таблиці коду триплети ДНК чи антикодони. Таблиця генетичного коду призначена для кодонів іРНК, а не для ДНК чи антикодонів.

• Не віднімають інтрони й рахують амінокислоти за довжиною всього гена еукаріотів. У генах еукаріотів спершу треба відняти інтрони, а потім ділити на 3.

• Вважають, що будь-яка заміна нуклеотида змінює амінокислоту, або плутають її наслідки зі зсувом рамки. Заміна змінює лише один кодон; зсув рамки — це наслідок вставки або випадіння, не кратного трьом.

• Починають зчитування не з першого нуклеотида або не з АУГ, коли умова вказує старт-кодон. Рамка зчитування фіксована: перший нуклеотид визначає, де починаються триплети.

Завдання з молекулярної біології на НМТ охоплюють дві теми програми:

• Тема 1.5 — вимагає розв'язувати елементарні вправи з реплікації, транскрипції й трансляції.

• Тема 1.2 — вправи на довжину й склад молекул нуклеїнових кислот.

Форма завдань

Такі задачі можуть бути у формі вибору однієї відповіді з чотирьох (А–Г, завдання 1–24, 0 або 1 бал); як додаткові теми 1.2 і 1.5 трапляються й у логічних парах та в завданнях з вибором трьох відповідей. Завдань із розгорнутою відповіддю немає, тому обчислений результат треба знайти серед запропонованих варіантів.

Довідкові матеріали

Довідкових матеріалів на НМТ немає. Потрібні числові дані подають в умові (у демонстраційному варіанті 2026 року таблиця була в завданні № 20). Значення 0,34 нм, старт-кодон АУГ і стоп-кодони (УАА, УАГ, УГА) варто знати напам'ять. Чи дають таблицю генетичного коду, офіційні файли не кажуть (у демо 2026 такої задачі немає), тому будь готовий і до її наявності в умові, і до її відсутності.

Стратегія виконання

• Записуй ланцюжок: ДНК → іРНК → кодони → амінокислоти, підписуючи пару під кожним нуклеотидом.

• У кількісних задачах виписуй множники: × 3 (триплет), × 2 (два ланцюги) і ± стоп-кодон.

• Перевіряй, чи враховано інтрони, якщо в умові йдеться про ген еукаріота.

• Матричний ланцюг ДНК → іРНК за комплементарністю (А→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г) → поділ на триплети → амінокислоти за таблицею генетичного коду з умови.

• У моделі строгої комплементарності антикодон тРНК (3′→5′) відповідає матричному триплету ДНК (3′→5′) із заміною Т на У.

• Для n амінокислот кодувальна ділянка має 3n нуклеотидів без стоп-кодону або 3(n + 1) із ним. ДНК — стільки ж пар, без інтронів і нетрансльованих ділянок.

• Довжина ділянки гена = кількість пар нуклеотидів × 0,34 нм.

• Заміна нуклеотида: мовчазна (синонімічна), місенс (зміна амінокислоти) або нонсенс (стоп-кодон). Вставка чи випадіння одного нуклеотида — зсув рамки зчитування.

• У генах еукаріотів спершу віднімай інтрони, потім рахуй кодони й амінокислоти.