Решение задачи по биологии: Транскрипция и трансляция

Задача 4.

Дано:

Фрагмент бактериального гена:

5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'

3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

Требуется:

1. Определить транскрибируемую цепь ДНК.
2. Пояснить ответ.
3. Записать открытую рамку считывания на иРНК.
4. Записать последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Решение:

1. Определение транскрибируемой цепи ДНК.

Известно, что синтез нуклеиновых кислот (в данном случае иРНК) начинается с 5' конца и рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу. Стартовый кодон на иРНК соответствует триплету, кодирующему аминокислоту Мет (метионин). В таблице генетического кода стартовый кодон - АУГ.

Рассмотрим обе цепи ДНК как потенциальные транскрибируемые цепи и найдем на соответствующей им иРНК стартовый кодон АУГ.

Вариант 1: Если транскрибируемая цепь - 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'

Тогда иРНК будет синтезироваться на ней по принципу комплементарности и антипараллельности. Поскольку синтез иРНК идет в направлении 5' к 3', а транскрибируемая цепь ДНК читается в направлении 3' к 5', то для удобства перепишем транскрибируемую цепь в направлении 3' к 5':

3'-АЦАТГААТАГЦАТЦЦАГТЦЦАГТАГ-5' (это та же цепь, что и 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3', просто записанная в обратном направлении)

Тогда иРНК будет:

5'-УГУАЦУУАУЦГУАГГУЦАГГУЦАУЦ-3'

Ищем стартовый кодон АУГ на этой иРНК. Его нет.

Вариант 2: Если транскрибируемая цепь - 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

Для синтеза иРНК в направлении 5' к 3', транскрибируемая цепь ДНК должна читаться в направлении 3' к 5'. Эта цепь уже записана в направлении 3' к 5', что удобно.

Транскрибируемая цепь ДНК: 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

Синтезируем иРНК по принципу комплементарности (А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г):

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Теперь ищем стартовый кодон АУГ на этой иРНК. Он находится в начале последовательности: ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА

Первый триплет ГАУ не является стартовым. Второй триплет ГАЦ не является стартовым. Третий триплет ГГА не является стартовым. Четвертый триплет ЦУЦ не является стартовым. Пятый триплет ЦАУ не является стартовым. Шестой триплет АЦГ не является стартовым. Седьмой триплет АУГ является стартовым кодоном.

Вывод: Транскрибируемой цепью ДНК является цепь 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5', так как только на иРНК, синтезированной с этой цепи, можно найти стартовый кодон АУГ, который соответствует аминокислоте Мет.

2. Пояснение ответа.

Транскрипция (синтез иРНК) происходит на одной из цепей ДНК, которая называется транскрибируемой (или матричной). иРНК синтезируется в направлении от 5' к 3' концу. Для этого РНК-полимераза движется по транскрибируемой цепи ДНК в направлении от 3' к 5' концу. Стартовый кодон на иРНК всегда АУГ и кодирует аминокислоту метионин. Мы проверили обе цепи ДНК. Только при использовании цепи 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5' в качестве транскрибируемой, на синтезированной иРНК (5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3') обнаруживается стартовый кодон АУГ, что позволяет начать трансляцию.

3. Запись открытой рамки считывания на иРНК.

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Стартовый кодон АУГ находится на 19-й позиции (считая от 5' конца). Открытая рамка считывания начинается со стартового кодона АУГ и заканчивается стоп-кодоном (УАА, УАГ, УГА).

Разделим иРНК на триплеты, начиная со стартового кодона:

5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУГ ААГ УАЦ А-3'

Открытая рамка считывания:

5'-АУГ ААГ УАЦ А-3'

Однако, в условии сказано, что фрагмент бактериального гена содержит полную открытую рамку считывания. Это означает, что в конце должен быть стоп-кодон. Давайте перепроверим последовательность иРНК, синтезированную с цепи 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'.

ДНК (транскрибируемая): 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Разделим иРНК на триплеты, начиная с 5' конца:

5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУГ ААГ УАЦ А-3'

Стартовый кодон АУГ находится в 7-м триплете (если считать с 5' конца иРНК).

5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУГ ААГ УАЦ А-3'

Открытая рамка считывания начинается с АУГ. Далее идут ААГ, УАЦ. Последний нуклеотид 'А' не образует полный триплет. Это означает, что стоп-кодон не входит в данный фрагмент, или я ошибся в определении стартового кодона.

Давайте внимательно пересмотрим условие: "Старт-кодон соответствует триплету, кодирующему аминокислоту мет." и "Фрагмент бактериального гена, содержащий полную открытую рамку считывания".

Возможно, я неправильно определил транскрибируемую цепь или стартовый кодон. Давайте еще раз проверим обе цепи ДНК на наличие стартового кодона АУГ на соответствующей иРНК, но теперь будем искать АУГ, за которым следует стоп-кодон.

Цепь 1: 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3' (кодирующая цепь, если транскрибируемая - вторая)

Если эта цепь является кодирующей, то иРНК будет идентична ей, за исключением замены Т на У:

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Разделим на триплеты:

5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУГ ААГ УАЦ А-3'

Здесь есть АУГ. После него идет ААГ, УАЦ. Стоп-кодона нет.

Цепь 2: 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5' (транскрибируемая цепь)

Кодирующая цепь (комплементарная транскрибируемой): 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'

иРНК (идентична кодирующей, Т заменено на У): 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Мы уже выяснили, что на этой иРНК есть АУГ, но нет стоп-кодона в конце.

Давайте пересмотрим, что значит "синтез нуклеиновых кислот начинается с 5' конца" и "рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу". Это означает, что мы должны искать стартовый кодон АУГ на иРНК, начиная с 5' конца.

Рассмотрим транскрипцию с каждой из цепей ДНК.

Случай 1: Транскрибируемая цепь ДНК - 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'

Для синтеза иРНК в направлении 5' к 3', транскрибируемая цепь ДНК должна читаться в направлении 3' к 5'. Перепишем ее:

3'-АЦАТГААТАГЦАТЦЦАГТЦЦАГТАГ-5'

иРНК: 5'-УГУАЦУУАУЦГУАГГУЦАГГУЦАУЦ-3'

Разделим на триплеты:

5'-УГУ АЦУ УАУ ЦГУ АГГ УЦА ГГУ ЦАУ Ц-3'

В этой иРНК нет стартового кодона АУГ.

Случай 2: Транскрибируемая цепь ДНК - 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

Эта цепь уже записана в направлении 3' к 5', что удобно для синтеза иРНК в направлении 5' к 3'.

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Разделим на триплеты, начиная с 5' конца:

5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУГ ААГ УАЦ А-3'

Здесь мы видим стартовый кодон АУГ. После него идут ААГ, УАЦ. Последний нуклеотид 'А' не образует триплет. Это означает, что стоп-кодон не находится в этом фрагменте, если мы начинаем с этого АУГ.

Давайте внимательно посмотрим на исходные цепи ДНК и попробуем найти стартовый кодон АУГ на иРНК, который будет окружен стоп-кодоном.

Исходные цепи ДНК:

1) 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'

2) 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

Если цепь 1 является кодирующей (смысловой), то иРНК будет:

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Разбиваем на рамки считывания:

Рамка 1: ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУГ ААГ УАЦ А (Старт АУГ, но нет стоп-кодона)

Рамка 2: АУГ АЦГ ГАЦ УЦЦ АУА ЦГА УАА ГУА ЦА (Старт АУГ, затем УАА - стоп-кодон!)

Рамка 3: УГА ЦГГ АЦУ ЦЦА УАЦ ГАУ ААГ УАЦ А (Нет старт-кодона)

Если мы используем Рамку 2, то:

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Открытая рамка считывания: АУГ АЦГ ГАЦ УЦЦ АУА ЦГА УАА

Здесь есть стартовый кодон АУГ и стоп-кодон УАА. Это соответствует условию "полная открытая рамка считывания".

Если иРНК имеет последовательность 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3', то она должна быть синтезирована с комплементарной ей цепи ДНК, которая является транскрибируемой.

иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'

Транскрибируемая цепь ДНК (комплементарная иРНК, Т вместо У):

3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

Это соответствует второй цепи ДНК, данной в условии.

Итак, уточненный вывод:

1. Транскрибируемая цепь ДНК: 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'

2. Пояснение:

Синтез иРНК происходит на транскрибируемой цепи ДНК в направлении 5' к 3'. Рибосома движется по иРНК также в направлении 5' к 3'. Стартовый кодон на иРНК - АУГ. Фрагмент гена содержит полную открытую рамку считывания, то есть она начинается со стартового кодона АУГ и заканчивается стоп-кодоном (УАА, УАГ или УГА).

Если транскрибируемой цепью является 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5', то комплементарная ей иРНК будет 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'.

Рассмотрим рамки считывания на этой иРНК:

• Рамка 1 (