Как найти рамку считывания по стоп кодону

Версия для печати и копирования в MS Word

Биосинтез белка.

Синтез большого числа одинаковых белковых молекул возможен, так
как в молекулах ДНК записана информация обо всех белках клетки и организма в
целом.

Схема № 2

Белок синтезирующая система.

ДНК; и РНК, т РНК; р РНК ; рибосомы и ферменты.

Этапы синтеза белка:

1. Транскрипция.

Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в
клеточном ядре. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Из
ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной
РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двухцепочечной
ДНК раскручивается, а затем на одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности
синтезируется и РНК.

В начале каждого гена находится особая специфическая
последовательность нуклеотидов, называемая промотором (АУГ). РНК-полимераза
«узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез
цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК,
присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного
«знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора.( УАА,
УАГ, УГА) Это последовательность нуклеотидов,
указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить.
В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых
для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления
белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в
самом организме.

2.Трансляция.

В цитоплазме происходит завершающий процесс синтеза белка – трансляция. Это
перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность
аминокислот молекулы белка. Важную роль здесь играют тРНК. Каждая тРНК
присоединяет определённую аминокислоту и транспортирует её к месту сборки
полипептида в рибосоме. В молекуле тРНК есть два активных участка: триплет-антикодон на
одном конце и акцепторный конец на другом. Антикодон считывает
информацию с иРНК, акцепторный конец является посадочной площадкой для
аминокислоты. Синтез полипептидной цепи белковой молекулы начинается с
активации аминокислот, которую осуществляют специальные ферменты. Каждой
аминокислоте соответствует как минимум один фермент. Фермент обеспечивает
присоединение аминокислоты к акцепторному участку тРНК с затратой энергии АТФ.

Этапы трансляции

1.    
СТАДИЯ
ИНИЦИАЦИЯ (Начало синтеза цепи)

С тем концом  и-РНК, с которого должен начаться синтез белка,
взаимодействует рибосома. При этом начало будущего белка обозначается
триплетом АУГ, который является знаком
начала трансляции– это точка промотор. Так как этот кодон кодирует
аминокислоту метионин, то все белки (за исключением специальных случаев)
начинаются с метионина.

2. СТАДИЯ ЭЛОНГАЦИЯ – удлинение

После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, задерживаясь
на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т. е. 3 + 3 = 6
нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула
тРНК, антикодон которой комплементарен кодону,
находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была
связана с этой т-РНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием
пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме
подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету
в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую
цепочку. После этого рибосома сдвигается по и-РНК, задерживается на следующих
нуклеотидах, и все повторяется

3. СТАДИЯ ТЕРМИНАЦИЯ

Завершение синтеза белка в участке-терминаторе, который узнается
РНК-полимеразой при участии особых белковых факторов терминации.
Рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА,
УАГ или УГА). 

 ДНК и РНК (3^/  и5^/)

Так как в задаче указывается концы ДНК иРНК  (3^/ И 5^/),
необходимо обязательно применить

Следующие принципы
факты о строении нуклеиновых кислот.

Принципы строения
ДНК: нерегулярность, антипараллельность, комплементарность, наличие регулярной
вторичной структуры.

5^/ А  Ц  Т  Г 3^/  

3^/  Т  Г  А  Ц  5^/

Матрицей для синтеза всех видов РНК (иРНК, тРНК, рРНК,
регуляторной РНК) служит матричная, транскрибируемая цепь ДНК.

5^/ А  Ц Ц Г Г А Т  Г 3^/  

3^/  Т  Г Г Ц Ц Т А  Ц  5^/

Первая цепочка ДНК является смысловой, кодирующей,
нетранскрибируемой. Вторая цепочка является антисмысловой, матричной,
транскрибируемой цепочкой ДНК.

При транскрибции РНК  строится по матричной (транскрибируемой)
цепи ДНК.

РНК-полимераза движется по молекуле ДНК в направлении от 3^/
– 5^/  концу.

 Правила решения задач, следующие из этих принципов.

^1.       
Ход
решения задачи должен соответствовать последовательности процессов, протекающих
при реализации наследственной информации.

^2.       
ДНК
записывается в виде двух цепей: ВЕРХНЯЯ- смысловая,

кадирующая, нетранскрибируемая  5^{/ ________}3^/
 .

^3.       
Нижняя-
антисмысловая, матричная, транскрибируемая 3^/ _______5^/

^4.       
и- РНК
записывается в направлении 5^{/ ________}3^/  .
В таблице генетического кода кодоны и РНК читаются в направлении 5^/
________3^/  .

^5.       
 Антикодоны
т-РНК, которые участвуют в трансляции записываются в направлении 3^/ –
5^/  -концы не указываются. Антикодоны  отделяются запятой, так как
они пренадлежат разным малекулам тРНК.

^6.       
Отдельные
короткие последовательности ДНК и РНК ( отдельные триплеты ДНК, кадоны иРНК, и
антикодоны т-РНК) записываются в ответах     всегда в направлении 5^/
________3^/  .

^7.       
 ДНК—————-РНК———-
белок

·       
Транскрибция          
трансляция

ДНК смысловая             5/-Г Т Г А Г Г А Ц Ц Т Ц Г –3^/

ДНК транкрибируемая 3^/-Ц А Ц Т Ц Ц Т Г Г А Г Ц-5/

иРНК                            5^{/ –} Г У Г А  Г Г  А Ц
Ц У Ц Г-3^/  

тРНК                           5^{/ –}  Ц АЦ Ц Ц У Г Г У 
Ц Г А-3^/  

Назовите второй триплет смысловой  цепи ДНК

                                   ДНК     5/- А Г  Г –3^/
                                                                                   

Назовите второй триплет матричной цепи ДНК

ДНК     5/- ц ц т –3^/                                                                                    

Назовите второй кодон иРНК; 5/- А Г  Г –3^/
                                                                                   

Назовите второй антикодон
тРНК: ответ   5/- У Ц Ц –3^/                                                                                    

Правила
решения задач, следующие из этих принципов.

Если
в задачи даны антикодоны тРНК, то они по умолчанию записаны в направлении от 5^/   до3^/  и, чтобы получить по ним
правильную иРНК, необходимо их перевернуть в направлении от 3^/   к  5^/
  и тогда получится антипараллельная комплементарная иРНК       от
5^/   до 3^/   

Например:

Даны антикадоны тРНК:   ГУА ЦЦУ АЦГ (по умолчанию от
5^/   до 3^/) 

Переворачиваем их:  5^/ АУГ
УЦЦ ГЦА 3^/   теперь они от   3^/   к  5^/
  

Кодоны иРНК      5^/ УАЦ АГГ ЦГУ 3^/                      

Назовите
второй  антикодон тРНК:   5^/ -УЦЦ  -3^/ 
                            

Общие
правила решения задач 

1. Внимательно прочитать текст задачи,  
выделить все условия.

2. Каждое действие обосновать, теоретически
(кратко и полно).

3.Аккуратно оформить запись решения: цепи ДНК, иРНК , тРНК, белка- прямые, подписанные символы нуклеотидов чётко
расположенные на одной линии по горизонтали цепи ДНК, иРНК, тРНК, белка-прямые
подписанные.

-символы нуклеотидов чёткие,
расположены на одной линии по горизонтали;

-цепи ДНК, иРНК , тРНК размещать на одной строке без переноса;

-аминокислоты белка записывать
через дэфис.

4.Ответы дать на все вопросы и
выписать их в конце решения.

Задача№1 Даны антикадоны тРНК
Молекулы тРНК, несущие соответствующие антикадоны, входят в рибосому в
следующем порядке:

УАЦ; ГУА; УГЦ; ГЦА,

Определите последовательность
нуклеотидов смысловой  транскрибируемой цепей ДНК, иРНК и аминокислот в
молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ поясните. Для решения задания
используйте таблицу генетического кода. При выполнении задания учитывайте, что антикодоны
тРНК антипараллельны кодонам иРНК.

тРНК 5’-УАЦ-3’
5’-ГУА-3’ 5’-УГЦ-3’
5’-ГЦА-3’   5’-УАЦ-3’

                         
3’-ЦАУ-5’   3’-АУГ-5’ 3’-АУГ-5’ 
3’-АЦГ-5’3’-УАЦ-5’

иРНК        5’Г У А У А
Ц Г Ц А У Г Ц3’

ДНКсмыс 5’Г Т А Т А Ц Г
Ц А Т Г Ц3’

ДНКтр     3’Ц А Т А Т Г
Ц Г Т А Ц Г5’

Аминокислоты
тир-вал-ала-цис.

Задача 2

 Декодирующая и
кодирующая область гена. Открытая  рамка считывания. Транскрибируемая цепь
известна. иРНК содержит более одного стоп-кодона.

Ген  имеет кодирующую 
и декодирующую области. Кодирующая область гена  называется открытой
рамкой считывания. Фрагмент конца гена имеет следующую
последовательность нуклеотидов, (нижняя цепь       транскрибируемая.

5’т г ц г ц г т АА
ц т г ц г А т г т г А г ц т А
т А ц ц3’

3’А Ц Г Ц Г Ц А Т т
Г А Ц  Г Ц Т А  Ц  А Ц  Т Ц  Г А Т  А Т Г  Г 5’

1.   Определите
верную открытую рамку считывания.

2.    Найдите
последовательность аминокислот во фрагменте конца полипептидной цепи.

3.   Известно
что, конечная часть полипептида, кодируемая этим геном, имеет длину более
четырёх аминокислот.

4.   Объясните
последовательность решения задачи.

Принцип решения задачи.

1.    
Строим иРНК (комплементарность и антипаралельность).

2.    
 Выписываем стоп-кодоны (по таблице генетического кода)

3.    
Начиная с конца иРНК ищем все возможные антикадоны и выделяем их.

4.    
Определяем тот антикодон, расположение которого удовлетворяет условиям
задачи.

5.    
Определяем открытую рамку считывания.

6.    
Записываем иРНК с    учётом найденной открытой рамки
считывания     

7.    
Учитываем, что   стоп-кадон не
входит в открытую рамку считывания.  Определяем аминокислотную
последовательность по таблице генетического кода.

8.    
Записываем последовательность аминокислот.

Решение.

    5’т г
ц г ц г т АА ц т г ц г А т г т
г А г ц т А т А
ц ц3’

3’А Ц Г Ц Г Ц А Т т
Г А Ц  Г Ц Т А  Ц  А Ц  Т Ц  Г А Т  А Т Г  Г 5’

ДНК транскрибируемая

5’У Г Ц Г Ц Г У А А Ц
У Г Ц Г А У Г У Ц Г А У Г У Ц А Г ЦУАУАЦЦ3’

3’А Ц Г Ц Г Ц А Т Т Г А Ц Г Ц Т А Ц А Г Ц
Т А Ц А Г Т Ц Г А Т А Т Г Г5’

ДНК транскрибируемая

5’У Г Ц Г Ц Г У А А Ц
У Г Ц Г А У Г У Ц Г А У Г У Ц А Г ЦУАУАЦЦ3’

иРНК

стоп кодоны: 5’УАА3’,    5’УГА3’     5’УАГ3’

1 случай Стоп кодон УГА. В этом случае кодонов
в цепи иРНК более 4-х, что удовлетворяет условию задачи.

2случай. Стоп-кодон УАА.В этом случае
кодонов в цепи иРНК только 2, что не удовлетворяет условию задачи.

 Запишем иРНК, учитывая обнаруженную
открытую рамку считывания.

5’ЦГЦГУААЦУГЦГАУГ3’

Найдём
последовательность аминокислот.

арг-вал- тре- ала-мет  

Задача 3

Декодирующая и
кодирующая область гена. Транскрибируемая область гена. Транскрибируемая цепь
ДНК не определена.

Ген имеет          кодирующую
и некодирующую области.

 Фрагмент
начала гена имеет следующую
последовательность нуклеотидов:

5’-ЦТТААЦГЦТААТЦАТЦАТАГ
3’

 3’-ГААТТГЦГАТТАГТА ГТАТЦ5’   

1.Определите
последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. 

2. Объясните
последовательность решения задачи.

3. При ответе
учитывайте, что полипептидная цепь начинается с аминокислоты Мет.

 Принцип решения
задачи.

1.Кодон информационной
иРНК, соответствующий аминокислоте Мет-5’АУГ3’
(который можно определить по таблице генетического кода.

2. Найдём триплет в ДНК
транскрибируемой комплементарной и антипараллельной этому кодону -3’-ТАЦ-5’

3.Найдём этот триплет в
одной или другой цепи ДНК. Это будет начало гена.

4. Построим  иРНК,
начиная с кодона АУГ.

5.Определим
последовательность  аминокислоты по таблице генетического кода.

                                  
Решение   

1.Предположим, что
нижняя цепь-транскрибируемая. В ней нет триплета ТАЦ.

2.Предположим, что
верхняя цеть – транскрибируемая. Перепишем её, начиная с  3’-конца.

3.Найдём триплет ТАЦ.
Начало гена-третий нуклеотид:

3’ЦАТАЦТААТААТЦГЦААТТЦ5’

ДНК транскрибируемая.

4.Запишем иРНК,
соответствующую открытой рамке считывания.

5’АУГАУУАУУАГЦГУУААГ3’
иРНК

 Определим
последовательность аминокислоты по таблице генетического кода.

Мет-иле-иле- сер-вал-
лиз

Задача4

Задача Некоторые
вирусы в качестве генетического материала несут РНК. Такие вирусы, заразив
клетку, встраивают ДНК-копию своего генома в геном хозяйской клетки. В клетку
проникла вирусная РНК следующей последовательности:

5’ −
ГЦГГААААГЦГЦ − 3’.

Определите, какова
будет последовательность вирусного белка, если матрицей для синтеза иРНК служит
цепь, комплементарная вирусной РНК. Напишите последовательность двуцепочечного
фрагмента ДНК, укажите 5’ и 3’ концы цепей. Ответ поясните. Для решения задания
используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

 Г

1.  По принципу комплементарности находим
нуклеотидную последовательность участка ДНК:

5’ − ГЦГГААААГЦГЦ − 3’

3’  — ЦГЦЦТТТТЦГЦГ − 5’.

2.  По принципу комплементарности находим
нуклеотидную последовательность иРНК:

5’ − ГЦГГААААГЦГЦ − 3’.

3.  По таблице Генетического кода
определяем последовательность вирусного белка: АЛА-ГЛУ-ЛИЗ-АРГ.

Примечание. Алгоритм выполнения задания.

1.  По принципу комплементарности на
основе вирусной РНК находим нуклеотидную последовательность транскрибируемого
участка ДНК:

вирусная РНК: 5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’

транскрибируемая ДНК 3’− ЦГЦ-ЦТТ-ТТЦ-ГЦГ − 5’.

Нуклеотидную последовательность
транскрибируемой и смысловой цепей ДНК также определяем по принципу
комплементарности (на основе данной РНК по принципу комплементарности строим
транскрибируемую ДНК, затем на её основе находим смысловую. В молекулярной
генетике принято смысловую ДНК писать сверху, транскрибируемую – снизу):

5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’

3’  — ЦГЦ-ЦТТ-ТТЦ-ГЦГ − 5’.

2.  По принципу комплементарности на
основе транскрибируемой ДНК находим нуклеотидную последовательность иРНК:

ДНК: 3’  — ЦГЦ-ЦТТ-ТТЦ-ГЦГ −
5’

иРНК: 5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’.

3.  По таблице Генетического кода на
основе иРНК определяем последовательность вирусного белка:

иРНК: 5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’

белок: АЛА-ГЛУ-ЛИЗ-АРГ

Задача5

Фрагмент
молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь  —
смысловая, нижняя  — транскрибируемая):

5’ −
ГЦГГГЦТАТГАТЦТГ − 3’

3’ −
ЦГЦЦЦГАТАЦТАГАЦ − 5’

В результате замены
одного нуклеотида в ДНК третья аминокислота во фрагменте
полипептида заменилась на аминокислоту Гис. Определите
аминокислоту, которая кодировалась до мутации. Какие изменения произошли в ДНК,
иРНК в результате замены одного нуклеотида? Благодаря какому свойству
генетического кода одна и та же аминокислота у разных организмов кодируется
одним и тем же триплетом? Ответ поясните. Для выполнения задания используйте
таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

1.  Третий триплет исходного фрагмента
смысловой цепи ДНК  — ТАТ (транскрибируемой цепи ДНК  — АТА), определяем
триплет иРНК: УАУ, по таблице генетического кода определяем, что он кодирует
аминокислоту Тир.

2.  Во фрагменте ДНК в третьем триплете
смысловой цепи ТАТ нуклеотид Т заменился на Ц (в транскрибируемой цепи в
триплете АТА нуклеотид А заменился на Г), а в иРНК в третьем кодоне (УАУ)
нуклеотид У заменился на Ц (ЦАУ).

3.  Свойство генетического кода  —
универсальность.

Наличие в ответе множества триплетов
считается ошибкой, так как в задании указано, что произошла замена одного
нуклеотида.

Примечание. Алгоритм выполнения задания.

1.  Третий триплет исходного фрагмента
смысловой цепи ДНК: 5′-ТАТ-3′ (транскрибируемой цепи ДНК: 5′-АТА-3′), определяем
триплет иРНК: 5′-УАУ-3′, по таблице генетического кода определяем, что он
кодирует аминокислоту Тир.

!!! Триплет иРНК: 5′-УАУ-3′ нашли по принципу комплементарности на
основе триплета транскрибируемой цепи ДНК 3′-АТА-5′. Для нахождения иРНК
сначала произведем запись триплета ДНК в обратном порядке от 3’ → к 5’ получим
3’-АТА- 5’

2.  По условию сказано, что «третья аминокислота
во фрагменте полипептида заменилась на аминокислоту Гис». По
таблице генетического кода находим, что аминокислота Гис кодируется
двуми нуклеотидами: ЦАУ и ЦАЦ;

НО в условии указано, что произошла
замена одного нуклеотида! т. е. в иРНК в третьем кодоне (5′-УАУ-3′)
нуклеотид У заменился на Ц (5′-ЦАУ-3′).

В ответ: В иРНК в третьем кодоне
(УАУ) нуклеотид У заменился на Ц (ЦАУ). Во фрагменте ДНК в третьем триплете
смысловой цепи 5′-ТАТ-3′ нуклеотид Т заменился на Ц (в транскрибируемой цепи в
триплете 5′-АТА-3′ нуклеотид А заменился на Г).

3.  Свойство генетического кода  —
универсальность (Код един для всех организмов живущих на Земле).

Задача
6

 Антикодоны
тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем
порядке: ГАГ, ЦЦУ, ЦЦЦ, УАУ. Используя таблицу генетического кода, определите
последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК, иРНК и аминокислот в
молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ объясните.

Для решения задания
используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

По принципу комплементарности на основе
тРНК находим кодоны иРНК – ЦУЦАГГГГГАУА (в ориентации 5’→3′).

Примечание

тРНК присоединяется к иРНК антипараллельно, т. е. иРНК расположена
в ориентации от 5`-конца к 3`-концу, а тРНК ориентирована наоборот, в
направлении от 3`-конца к 5`-концу. Сначала записываем антикодоны в обратном
направлении (3’→5′), а потом по принципу комплементарности определяем кодон
иРНК (5’→3′).

2)  Нуклеотидную последовательность
транскрибируемой и смысловой цепей ДНК определяем по полученной иРНК также по
принципу комплементарности:

5’ − ЦТЦАГГГГГАТА − 3′

3’ − ГАГТЦЦЦЦЦТАТ − 5′.

3)  По таблице генетического кода на
основе иРНК определяем последовательность аминокислот: Лей-Арг-Гли-Иле.

Задача 7

Фрагмент начала гена
имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь  — смысловая,
нижняя  — транскрибируемая):

5’ − ААТГТЦЦАААТАЦ − 3′

3’ − ТТАЦАГГТТТАТГ − 5′

Ген содержит
информативную и неинформативную части для трансляции. Информативная часть гена
начинается с триплета, кодирующего аминокислоту Мет. С какого
нуклеотида начинается информативная часть гена? Определите последовательность
аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. Ответ поясните. Для выполнения
задания используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

1)  По принципу комплементарности на
основе транскрибируемой цепи ДНК находим последовательность и-РНК:
5’ − ААУГУЦЦАААУАЦ − 3′;

2)  Информативная часть гена начинается со
второго нуклеотида Т (на транскрибируемой цепи, и второй нуклеотид А − на
смысловой цепи), так как кодон АУГ кодирует аминокислоту Мет;

Пояснение:

В цепи иРНК ищем последовательность АУГ: ААУГУЦЦАААУАЦ.
Кодон, кодирующий Мет, начинается со второго нуклеотида.

3)  Находим последовательность полипептида
по таблице генетического кода: Мет-Сер-Лиз-Тир.

Задача8

Задача Некоторые
вирусы в качестве генетического материала несут РНК. Такие вирусы, заразив
клетку, встраивают ДНК-копию своего генома в геном хозяйской клетки. В клетку
проникла вирусная РНК следующей последовательности:

5’ −
ГЦГГААААГЦГЦ − 3’.

Определите, какова
будет последовательность вирусного белка, если матрицей для синтеза иРНК служит
цепь, комплементарная вирусной РНК. Напишите последовательность двуцепочечного
фрагмента ДНК, укажите 5’ и 3’ концы цепей. Ответ поясните. Для решения задания
используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

 Г

ой РНК по принципу комплементарности
строим транскрибируемую ДНК, затем на её основе находим смысловую. В
молекулярной генетике принято смысловую ДНК писать свер1.  По принципу
комплементарности находим нуклеотидную последовательность участка ДНК:

5’ − ГЦГГААААГЦГЦ − 3’

3’  — ЦГЦЦТТТТЦГЦГ − 5’.

2.  По принципу комплементарности находим
нуклеотидную последовательность иРНК:

5’ − ГЦГГААААГЦГЦ − 3’.

3.  По таблице Генетического кода
определяем последовательность вирусного белка: АЛА-ГЛУ-ЛИЗ-АРГ.

Примечание. Алгоритм выполнения задания.

1.  По принципу комплементарности на
основе вирусной РНК находим нуклеотидную последовательность транскрибируемого
участка ДНК:

вирусная РНК: 5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’

транскрибируемая ДНК 3’− ЦГЦ-ЦТТ-ТТЦ-ГЦГ − 5’.

Нуклеотидную последовательность
транскрибируемой и смысловой цепей ДНК также определяем по принципу
комплементарности (на основе данн ху, транскрибируемую – снизу):

5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’

3’  — ЦГЦ-ЦТТ-ТТЦ-ГЦГ − 5’.

2.  По принципу комплементарности на
основе транскрибируемой ДНК находим нуклеотидную последовательность иРНК:

ДНК: 3’  — ЦГЦ-ЦТТ-ТТЦ-ГЦГ −
5’

иРНК: 5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’.

3.  По таблице Генетического кода на
основе иРНК определяем последовательность вирусного белка:

иРНК: 5’ − ГЦГ-ГАА-ААГ-ЦГЦ − 3’

белок: АЛА-ГЛУ-ЛИЗ-АРГ

Задача
9

Фрагмент
молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь  —
смысловая, нижняя  — транскрибируемая):

5’ −
ГЦГГГЦТАТГАТЦТГ − 3’

3’ −
ЦГЦЦЦГАТАЦТАГАЦ − 5’

В результате замены
одного нуклеотида в ДНК третья аминокислота во фрагменте
полипептида заменилась на аминокислоту Гис. Определите
аминокислоту, которая кодировалась до мутации. Какие изменения произошли в ДНК,
иРНК в результате замены одного нуклеотида? Благодаря какому свойству
генетического кода одна и та же аминокислота у разных организмов кодируется
одним и тем же триплетом? Ответ поясните. Для выполнения задания используйте
таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

1.  Третий триплет исходного фрагмента
смысловой цепи ДНК  — ТАТ (транскрибируемой цепи ДНК  — АТА), определяем
триплет иРНК: УАУ, по таблице генетического кода определяем, что он кодирует
аминокислоту Тир.

2.  Во фрагменте ДНК в третьем триплете
смысловой цепи ТАТ нуклеотид Т заменился на Ц (в транскрибируемой цепи в
триплете АТА нуклеотид А заменился на Г), а в иРНК в третьем кодоне (УАУ)
нуклеотид У заменился на Ц (ЦАУ).

3.  Свойство генетического кода  —
универсальность.

Наличие в ответе множества триплетов
считается ошибкой, так как в задании указано, что произошла замена одного
нуклеотида.

Примечание. Алгоритм выполнения задания.

1.  Третий триплет исходного фрагмента
смысловой цепи ДНК: 5′-ТАТ-3′ (транскрибируемой цепи ДНК: 5′-АТА-3′), определяем
триплет иРНК: 5′-УАУ-3′, по таблице генетического кода определяем, что он
кодирует аминокислоту Тир.

!!! Триплет иРНК: 5′-УАУ-3′ нашли по принципу комплементарности на
основе триплета транскрибируемой цепи ДНК 3′-АТА-5′. Для нахождения иРНК
сначала произведем запись триплета ДНК в обратном порядке от 3’ → к 5’ получим
3’-АТА- 5’

2.  По условию сказано, что «третья аминокислота
во фрагменте полипептида заменилась на аминокислоту Гис». По
таблице генетического кода находим, что аминокислота Гис кодируется
двуми нуклеотидами: ЦАУ и ЦАЦ;

НО в условии указано, что произошла
замена одного нуклеотида! т. е. в иРНК в третьем кодоне (5′-УАУ-3′)
нуклеотид У заменился на Ц (5′-ЦАУ-3′).

В ответ: В иРНК в третьем кодоне
(УАУ) нуклеотид У заменился на Ц (ЦАУ). Во фрагменте ДНК в третьем триплете
смысловой цепи 5′-ТАТ-3′ нуклеотид Т заменился на Ц (в транскрибируемой цепи в
триплете 5′-АТА-3′ нуклеотид А заменился на Г).

3.  Свойство генетического кода  —
универсальность (Код един для всех организмов живущих на Земле).

Задача10

 Антикодоны
тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем
порядке: ГАГ, ЦЦУ, ЦЦЦ, УАУ. Используя таблицу генетического кода, определите
последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК, иРНК и аминокислот в
молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ объясните.

Для решения задания
используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

По принципу комплементарности на основе
тРНК находим кодоны иРНК – ЦУЦАГГГГГАУА (в ориентации 5’→3′).

Примечание

тРНК присоединяется к иРНК антипараллельно, т. е. иРНК расположена
в ориентации от 5`-конца к 3`-концу, а тРНК ориентирована наоборот, в
направлении от 3`-конца к 5`-концу. Сначала записываем антикодоны в обратном
направлении (3’→5′), а потом по принципу комплементарности определяем кодон
иРНК (5’→3′).

2)  Нуклеотидную последовательность
транскрибируемой и смысловой цепей ДНК определяем по полученной иРНК также по
принципу комплементарности:

5’ − ЦТЦАГГГГГАТА − 3′

3’ − ГАГТЦЦЦЦЦТАТ − 5′.

3)  По таблице генетического кода на
основе иРНК определяем последовательность аминокислот: Лей-Арг-Гли-Иле.

Задача11

Фрагмент начала гена
имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь  — смысловая,
нижняя  — транскрибируемая):

5’ − ААТГТЦЦАААТАЦ − 3′

3’ − ТТАЦАГГТТТАТГ − 5′

Ген содержит
информативную и неинформативную части для трансляции. Информативная часть гена
начинается с триплета, кодирующего аминокислоту Мет. С какого
нуклеотида начинается информативная часть гена? Определите последовательность
аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. Ответ поясните. Для выполнения
задания используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

1)  По принципу комплементарности на
основе транскрибируемой цепи ДНК находим последовательность и-РНК:
5’ − ААУГУЦЦАААУАЦ − 3′;

2)  Информативная часть гена начинается со
второго нуклеотида Т (на транскрибируемой цепи, и второй нуклеотид А − на
смысловой цепи), так как кодон АУГ кодирует аминокислоту Мет;

Пояснение:

В цепи иРНК ищем последовательность АУГ: ААУГУЦЦАААУАЦ.
Кодон, кодирующий Мет, начинается со второго нуклеотида.

3)  Находим последовательность полипептида
по таблице генетического кода: Мет-Сер-Лиз-Тир.

Задача 12

Известно, что
комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной цепи
соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’
конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Ген имеет
кодирующую и некодирующую области. Кодирующая область гена называется открытой
рамкой считывания. Фрагмент конца гена имеет следующую последовательность
нуклеотидов: (нижняя цепь транскрибируемая):

5’-ТГЦГЦГТААЦТГЦГАТГТГАГЦТАТАЦЦ-3’

3’-АЦГЦГЦАТТГАЦГЦТАЦАЦТЦГАТАТГГ-5’

Определите верную
открытую рамку считывания и найдите последовательность аминокислот во фрагменте
конца полипептидной цепи. Известно, что итоговый полипептид, кодируемый этим
геном, имеет длину более четырёх аминокислот. Объясните последовательность решения
задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При
написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Генетический код (иРНК от 5′ к 3′
концу)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

 По принципу комплементарности по
транскрибируемой цепи ДНК находим последовательность иРНК:

5’-УГЦГЦГУААЦУГЦГАУГУГАГЦУАУАЦЦ-3’

2.  По таблице генетического кода
определяем возможные стоп-кодоны: 5’-УГА-3’; 5’-УАА-3’; 5’-УАГ-3’

3.  В последовательности иРНК присутствует
стоп-кодон 5’-УАА-3’ (с 7 нуклеотида), но данная рамка не соответствует
условию, что закодировано 4 аминокислоты.

4.  В последовательности иРНК присутствует
стоп-кодон 5’-УГА-3’ (с 18 нуклеотида)

5.  По стоп-кодону находим открытую рамку
считывания.

5’-УГ-ЦГЦ-ГУА-АЦУ-ГЦГ-АУГ-УГА-ГЦУАУАЦЦ-3’

6.  По таблице генетического кода
последовательность полипептида: арг-вал-тре-ала-мет.

Примечание:

Если в явном виде на иРНК указано место
окончания синтеза полипептида (подчёркнут или обведён стоп-кодон, указан
стрелкой последний нуклеотид рамки считывания и т. п.), элемент ответа
засчитывается как верный. Аналогично, если на последовательности иРНК в явном
виде отмечена рамка считывания, элемент ответа засчитывается как верный. Важно:
написание в последовательности полипептида слова «стоп» (или аналогичного)
делает ПОСЛЕДНИЙ элемент ответа неверным.

Задача 13

Известно,
что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной
цепи соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается
с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Фрагмент
молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет
следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь матричная
(транскрибируемая)):

5’-АТЦАТГЦТТТАЦЦГА-3’

3’-ТАГТАЦГАААТГГЦТ-5’

Установите
нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном
фрагменте ДНК. Укажите триплет, который является антикодоном, если данная тРНК
переносит аминокислоту ала. Ответ поясните. Для выполнения задания используйте
таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых
кислот указывайте направление цепи.

1.  Последовательность тРНК
5′-УЦГГУАААГЦАУГАУ-3′ ИЛИ 3′-УАГУАЦГАААУГГЦУ-5′

2.  Аминокислоту ала кодирует кодон иРНК
5′-ГЦУ-3′ (3′-УЦГ-5′, ГЦУ);

3.  Ему соответствует антикодон 5′-АГЦ-3′
(АГЦ, 3′-ЦГА-5′).

Задача14

Антикодоны
тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем
порядке: ГАГ, ЦЦУ, ЦЦЦ, УАУ. Используя таблицу генетического кода, определите
последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК, иРНК и аминокислот в
молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ объясните.

Для решения задания
используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

По принципу комплементарности на основе
тРНК находим кодоны иРНК – ЦУЦАГГГГГАУА (в ориентации 5’→3′).

Примечание

тРНК присоединяется к иРНК антипараллельно, т. е. иРНК расположена
в ориентации от 5`-конца к 3`-концу, а тРНК ориентирована наоборот, в направлении
от 3`-конца к 5`-концу. Сначала записываем антикодоны в обратном направлении
(3’→5′), а потом по принципу комплементарности определяем кодон иРНК (5’→3′).

2)  Нуклеотидную последовательность
транскрибируемой и смысловой цепей ДНК определяем по полученной иРНК также по
принципу комплементарности:

5’ − ЦТЦАГГГГГАТА − 3′

3’ − ГАГТЦЦЦЦЦТАТ − 5′.

3)  По таблице генетического кода на
основе иРНК определяем последовательность аминокислот: Лей-Арг-Гли-Иле.

Задача 14

Фрагмент начала гена
имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь  — смысловая,
нижняя  — транскрибируемая):

5’ − ААТГТЦЦАААТАЦ − 3′

3’ − ТТАЦАГГТТТАТГ − 5′

Ген содержит
информативную и неинформативную части для трансляции. Информативная часть гена
начинается с триплета, кодирующего аминокислоту Мет. С какого
нуклеотида начинается информативная часть гена? Определите последовательность
аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. Ответ поясните. Для выполнения
задания используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

1)  По принципу комплементарности на
основе транскрибируемой цепи ДНК находим последовательность и-РНК: 5’ − ААУГУЦЦАААУАЦ − 3′;

2)  Информативная часть гена начинается со
второго нуклеотида Т (на транскрибируемой цепи, и второй нуклеотид А − на
смысловой цепи), так как кодон АУГ кодирует аминокислоту Мет;

Пояснение:

В цепи иРНК ищем последовательность АУГ: ААУГУЦЦАААУАЦ.
Кодон, кодирующий Мет, начинается со второго нуклеотида.

3)  Находим последовательность полипептида
по таблице генетического кода: Мет-Сер-Лиз-Тир.

Задача15

Известно, что
комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной цепи
соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’
конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Ген имеет
кодирующую и некодирующую области. Кодирующая область гена называется открытой
рамкой считывания. Фрагмент конца гена имеет следующую последовательность
нуклеотидов: (нижняя цепь транскрибируемая):

5’-ТГЦГЦГТААЦТГЦГАТГТГАГЦТАТАЦЦ-3’

3’-АЦГЦГЦАТТГАЦГЦТАЦАЦТЦГАТАТГГ-5’

Определите верную
открытую рамку считывания и найдите последовательность аминокислот во фрагменте
конца полипептидной цепи. Известно, что итоговый полипептид, кодируемый этим
геном, имеет длину более четырёх аминокислот. Объясните последовательность решения
задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При
написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Генетический код (иРНК от 5′ к
3′ концу)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир   —   —	Цис Цис   — Три	У Ц А Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У Ц А Г

 По принципу комплементарности по
транскрибируемой цепи ДНК находим последовательность иРНК:

5’-УГЦГЦГУААЦУГЦГАУГУГАГЦУАУАЦЦ-3’

2.  По таблице генетического кода
определяем возможные стоп-кодоны: 5’-УГА-3’; 5’-УАА-3’; 5’-УАГ-3’

3.  В последовательности иРНК присутствует
стоп-кодон 5’-УАА-3’ (с 7 нуклеотида), но данная рамка не соответствует
условию, что закодировано 4 аминокислоты.

4.  В последовательности иРНК присутствует
стоп-кодон 5’-УГА-3’ (с 18 нуклеотида)

5.  По стоп-кодону находим открытую рамку
считывания.

5’-УГ-ЦГЦ-ГУА-АЦУ-ГЦГ-АУГ-УГА-ГЦУАУАЦЦ-3’

6.  По таблице генетического кода
последовательность полипептида: арг-вал-тре-ала-мет.

Примечание:

Если в явном виде на иРНК указано место
окончания синтеза полипептида (подчёркнут или обведён стоп-кодон, указан
стрелкой последний нуклеотид рамки считывания и т. п.), элемент ответа
засчитывается как верный. Аналогично, если на последовательности иРНК в явном
виде отмечена рамка считывания, элемент ответа засчитывается как верный. Важно:
написание в последовательности полипептида слова «стоп» (или аналогичного)
делает ПОСЛЕДНИЙ элемент ответа неверным.

Задача16

Известно,
что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной
цепи соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается
с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Фрагмент
молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую
последовательность нуклеотидов (верхняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5’-АТЦАТГЦТТТАЦЦГА-3’

3’-ТАГТАЦГАААТГГЦТ-5’

Установите
нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном
фрагменте ДНК. Укажите триплет, который является антикодоном, если данная тРНК
переносит аминокислоту ала. Ответ поясните. Для выполнения задания используйте
таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых
кислот указывайте направление цепи.

1.  Последовательность тРНК
5′-УЦГГУАААГЦАУГАУ-3′ ИЛИ 3′-УАГУАЦГАААУГГЦУ-5′

2.  Аминокислоту ала кодирует кодон иРНК
5′-ГЦУ-3′ (3′-УЦГ-5′, ГЦУ);

3.  Ему соответствует антикодон 5′-АГЦ-3′
(АГЦ, 3′-ЦГА-5′).

Указывать все кодоны, кодирующие данную аминокислоту, в ответе не
требуется, однако допускается указание множества верных кодонов, среди которых
в явном виде должен быть указан необходимый для решения задачи кодон. Простого
перечисления всех кодонов, кодирующих данную аминокислоту, недостаточно для
засчитывания второго элемента ответа. Если в явном виде на тРНК указан
антикодон (подчеркнут, обведен), третий элемент ответа засчитывается как
верный.

Пример последовательности, показывающий три различных возможных рамки считывания. Стартовые кодоны выделены фиолетовым цветом, а стоп-кодоны выделены красным.

В молекулярной генетике открытая рамка считывания (ORF ) – это часть рамки считывания, которая может быть переведена. ORF представляет собой непрерывный участок кодонов, который начинается с стартового кодона (обычно AUG) и заканчивается стоп-кодоном (обычно UAA, UAG или UGA). Кодон ATG (AUG в терминах РНК ) в пределах ORF (не обязательно первый) может указывать, где начинается трансляция. Сайт терминации транскрипции расположен после ORF, за пределами трансляции стоп-кодона. Если бы транскрипция прекратилась до появления стоп-кодона, во время трансляции образовался бы неполный белок. В эукариотических генах с несколькими экзонами, интроны удаляются, а затем экзоны соединяются вместе после транскрипции для получения окончательной мРНК для перевода белков. В контексте поиска гена, определение старт-стоп ORF поэтому применимо только к сплайсированным мРНК, а не геномной ДНК, поскольку интроны могут содержать стоп-кодоны и / или вызывать сдвиги между рамки для чтения. Альтернативное определение гласит, что ORF – это последовательность, имеющая длину, кратную трем, и ограниченная стоп-кодонами. Это более общее определение также может быть полезно в контексте транскриптомики и / или метагеномики, где стартовый и / или стоп-кодон может не присутствовать в полученных последовательностях. Такая ORF соответствует частям гена, а не полному гену.

Содержание

• 1 Биологическое значение
• 2 Шестикадровый перевод
• 3 Инструменты для поиска ORF
  • 3.1 ORF Finder
  • 3.2 ORF Investigator
  • 3.3 ORF Predictor
  • 3.4 ORFik
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Биологическое значение

Одним из распространенных способов использования открытых рамок считывания (ORF) является одно свидетельство, помогающее в прогнозировании генов . Длинные ORF часто используются, наряду с другими доказательствами, для первоначальной идентификации участков-кандидатов белок-кодирующих или функциональных областей, кодирующих РНК в последовательности ДНК. Наличие ORF не обязательно означает, что область всегда транслируется. Например, в случайно сгенерированной последовательности ДНК с равным процентом каждого нуклеотида, стоп-кодон будет ожидаться один раз на каждые 21 кодон. Простой алгоритм прогнозирования гена для прокариот может искать стартовый кодон, за которым следует открытая рамка считывания, достаточно длинная, чтобы кодировать типичный белок, где использование кодона этой области соответствует частотной характеристике для кодирующих областей данного организма. Поэтому некоторые авторы говорят, что ORF должна иметь минимальную длину, например 100 кодонов или 150 кодонов. Сама по себе даже длинная открытая рамка считывания не является убедительным доказательством присутствия гена . С другой стороны, было доказано, что некоторые короткие ОРС (кОРС), в которых отсутствуют классические признаки кодирующих белки генов (как из нкРНК, так и мРНК), могут продуцировать функциональные пептиды. Известно, что 5’NTR примерно 50% мРНК млекопитающих содержат одну или несколько кОРС. 64–75% экспериментально обнаруженных сайтов инициации трансляции кОРС консервативны в геномах человека и мыши и могут указывать на то, что эти элементы выполняют функцию. Однако кОРС часто можно найти только в минорных формах мРНК и избежать отбора; высокая консервативность сайтов инициации может быть связана с их расположением внутри промоторов соответствующих генов. Подобная ситуация характерна, например, для гена SLAMF1.

Шестикадровая трансляция

Поскольку ДНК интерпретируется группами из трех нуклеотидов (кодонов), ДНК нить имеет три отдельные рамки считывания. Двойная спираль молекулы ДНК имеет две антипараллельные нити; с двумя цепями, имеющими по три рамки считывания каждая, существует шесть возможных трансляций рамок.

Пример трансляции с шестью рамками. Нуклеотидная последовательность показана посередине с прямой трансляцией вверху и обратной трансляцией внизу. Выделены две возможные открытые рамки считывания с последовательностями.

Инструменты поиска ORF

ORF Finder

ORF Finder (Open Reading Frame Finder) – это инструмент графического анализа, который находит все открытые считывания кадры выбираемого минимального размера в пользовательской последовательности или в последовательности, уже имеющейся в базе данных. Этот инструмент идентифицирует все открытые рамки считывания с использованием стандартных или альтернативных генетических кодов. Выведенная аминокислотная последовательность может быть сохранена в различных форматах и ​​найдена в базе данных последовательностей с использованием сервера BLAST. ORF Finder должен быть полезен при подготовке полных и точных представлений последовательности. Он также поставляется с программным обеспечением для отправки последовательностей Sequin (анализатор последовательностей).

ORF Investigator

ORF Investigator – это программа, которая не только дает информацию о кодирующих и некодирующих последовательностях, но также может выполнять попарное глобальное выравнивание последовательностей различных участков гена / ДНК. Инструмент эффективно находит ORF для соответствующих аминокислотных последовательностей и преобразует их в их однобуквенный аминокислотный код, а также предоставляет их положения в последовательности. Попарное глобальное выравнивание между последовательностями делает удобным обнаружение различных мутаций, включая однонуклеотидный полиморфизм. Алгоритмы Нидлмана-Вунша используются для выравнивания генов. ORF Investigator написан на портативном языке программирования Perl и поэтому доступен пользователям всех распространенных операционных систем.

ORF Predictor

OrfPredictor – это веб-сервер, предназначенный для идентификации областей, кодирующих белок, в последовательностях, производных от тега экспрессируемой последовательности (EST). Для запрашиваемых последовательностей с попаданием в BLASTX программа предсказывает кодирующие области на основе рамок считывания трансляции, идентифицированных при выравнивании BLASTX, в противном случае она предсказывает наиболее вероятную кодирующую область на основе внутренних сигналов запрашиваемых последовательностей. Результатом являются предсказанные пептидные последовательности в формате FASTA и строка определения, которая включает идентификатор запроса, рамку считывания трансляции и положения нуклеотидов, в которых начинается и заканчивается кодирующая область. OrfPredictor упрощает аннотацию последовательностей, производных от EST, в частности, для крупномасштабных проектов EST.

ORF Predictor использует комбинацию двух разных определений ORF, упомянутых выше. Он ищет участки, начиная с стартового кодона и заканчивая стоп-кодоном. В качестве дополнительного критерия выполняется поиск стоп-кодона в 5 ‘нетранслируемой области (UTR).

ORFik

ORFik – это R-пакет в Bioconductor для поиска открытых рамок считывания и использования технологий секвенирования нового поколения для обоснования ORF.

См. Также

• Кодирующая область
• Предполагаемый ген
• Sequerome – инструмент профилирования последовательности, который связывает каждую запись BLAST с ORF NCBI, позволяя выполнить полный анализ ORF Отчет BLAST.

Ссылки

Внешние ссылки

• Перевод и открытые рамки чтения
• hORFeome V5.1 – интерактивный веб-инструмент для CCSB Human ORFeome Collection
• ORF Marker – бесплатный, быстрый и многоплатформенный инструмент с графическим интерфейсом для рабочего стола для прогнозирования и анализа ORF
• StarORF – многоплатформенный инструмент с графическим интерфейсом на основе Java для прогнозирования и анализа ORF и получения последовательности обратного дополнения
• ORFPredictor – веб-сервер, предназначенный для предсказания ORF и трансляции пакета последовательностей EST или кДНК

Задачи линии 28. Биосинтез белка

Андрианова А.А., учитель биологии МБОУ «СОШ №30»,

эксперт ЕГЭ по биологии

Транскрипция

Откуда взялись

штрих концы?

ДНК и РНК – нерегулярные полимеры

мономер – нуклеотид

состоит из 3 частей

3. азотистое основание

2. фосфат

1. сахар

Одинаковая часть

Сахар

2’

Рибоза

Сахар

2’

H

дезокси рибоза

2’ –

Фосфат

Азотистое основание

5’

1’

3’

3’

H

Следующий нуклеотид цепочки

т-РНК

Оформление задач

1) У всех цепей и всех кодонов, выписываемых отдельно от цепи, пишем направление 5′-3′

2) Не забываем, что любые цепи антипараллельны:

-ДНК (транскр) и ДНК (смысл)

-ДНК (транскр) и иРНК

-ДНК (транскр) и тРНК (для генов тРНК)

-иРНК и антикодоны тРНК

3) Аминокислоты пишутся через дефис

4) Различные антикодоны тРНК, т.к. они относятся к разным молекулам, пишутся через запятую ( больше ничего через запятую писать нельзя ).

5) Если на конце цепи возникает стоп-кодон, то писать слово «стоп» в полипептидную цепь нельзя, т.к. все стоп-кодоны не кодируют аминокислот и отмечены прочерком в таблице генетического кода.

Стандартные пояснения

1) Когда записываем иРНК на матрице ДНК:

«По принципу комплементарности и антипараллельности на матрице транскрибируемой цепи ДНК запишем последовательность нуклеотидов в иРНК»

2) Когда ищем последовательность аминокислот в белке:

«По таблице генетического кода, используя кодоны иРНК, определим последовательность аминокислот в белке.

Типы задач на биосинтез белка

• Первый тип
• Определение смысловой (кодирующей цепи) ДНК

• 1) по таблице генетического кода опрделеяем кодон в иРНК, который шифрует данную аминокислоту
• Далее есть два подхода к решению:
• 2) ищем смысловую цепь (иРНК по последовательности нуклеотидов и направлению цепи является точной копией смысловой цепи (только нуклеотид Т заменяется на У, а также используются рибонуклеотиды)
• 3) ищем транскрибируемую цепь (иРНК и транскрибируемая цепь ДНК антипараллельны и полностью комплементарны друг другу)

Задача №1

Задача №2

Задача №3 (ЕГЭ – 2022)

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов:

5′-ЦААТАТГЦГЦГГТАТТАТАГАГ-3′

3′-ГТТАТАЦГЦГЦЦАТААТАТЦТЦ-5′

Определите последовательность аминокислот начала полипептида, если синтез начинается с аминокислоты Мет. Объясните последовательность решения задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Схема решения задачи включает следующие элементы:

1) аминокислоте МЕТ соответствует кодон 5′-АУГ-3′ (АУГ);

2) комплементарный триплет на ДНК – 3′-ТАЦ-5′ (5′-ЦАТ-3′, ТАЦ);

3) такой триплет встречается на нижней цепи ДНК, значит, она является матричной (транскрибируемой);

ИЛИ

3) этому триплету соответствует триплет 5′-АТГ-3′ (АТГ) на ДНК;

4) такой триплет обнаруживается на верхней цепи ДНК, значит, нижняя цепь матричная (транскрибируемая);

5) последовательность иРНК:

5′-ЦААУАУГЦГЦГГУАУУАУАГАГ-3′

ИЛИ

5′-АУГЦГЦГГУАУУАУАГАГ-3′

6) фрагмент nолипептида: мет-арг-гли-иле-иле-глу.

Второй тип. Определение кодирующей и некодирующей части гена

В данном случае в последовательности иРНК необходимо найти триплет АУГ, который кодирует метионин (мет) и является старт-кодоном. Таким образом, все нуклеотиды до старт-кодона будут являться некодирующей последовательностью, а после – кодирующей белок. Кодирующую последовательность также называют открытой рамкой считывания.

Есть три варианта этой задачи:

1) определить, с какого нуклеотида начнется синтез белка (используем иРНК) (№4);

2) определить, с какого нуклеотида начинается информативная часть гена (используем двухцепочечную ДНК) (№5);

3) определить, с какого нуклеотида начинается информативная часть гена в случае, когда в цепи есть несколько старт-кодонов и стоп-кодон, который обрывает синтез первой цепи (№6).

Задача №4

Задача №5

Задача №6

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5′-АТЦАТГТАТГГЦТАГАГЦТАТТ-3′

3′-ТАГТАЦАТАЦЦГАТЦТЦГАТАА-5’

Определите последовательность аминокислот во фрагменте начала полипептидной цепи, объясните последовательность решения задачи. При ответе учитывайте, что полипептидная цепь начинается с аминокислоты мет. Известно, что итоговый фрагмент полипептида, кодируемый этим геном, имеет длину более четырех аминокислот. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

• Схема решения задачи включает:

1) последовательность иРНК: 5′-АУЦАУГУАУГГЦУАГАГЦУАУУ-3′;

2) аминокислоте мет соответствует кодон 5′-АУГ-3′ (АУГ);

3) при синтезе первого кодона 5′-АУГ-3′ (АУГ) фрагмент полипептида обрывается (в рамке считывания присутствует стоп-кодон);

4) синтез фрагмента полипептида начинается со второго кодона 5′-АУГ-3′ (АУГ) (синтез начинается с восьмого нуклеотида);

5) последовательность аминокислот во фрагменте полипептида находим по таблице генетического кода: мет-ала-арг-ала-иле.

Третий тип. Определение конца гена (кодирующей части)

• В данном случае необходимо в последовательности иРНК найти один из трех возможных стоп-кодонов (УАА, УАГ, УГА) . Этот стоп-кодон указывает на конец открытой рамки считывания. Таким образом, все нуклеотиды до стоп-кодона будут являться кодирующей последовательностью, а после – некодирующей белок. При этом важно помнить, что стоп-кодон не кодирует аминокислоту, писать слово «стоп» в цепи полипептида нельзя.
• Часто в задаче можно найти два возможных стоп-кодона. При этом, верным является тот, ДО которого можно определить не менее четырех (в зависимости от условия) аминокислот в последовательности полипептида. В обратной ситуации (например, в случае, когда закодировано менее четырех аминокислот) это будет противоречить условию задачи.

Задача №7

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной цепи соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Кодирующая область гена называется открытой рамкой считывания . Фрагмент конца гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5’-ААГЦГЦТААТАГЦАТАТТАГАГЦТА-3’

3’-ТТЦГЦГАТТАТЦГТАТААТЦТЦГАТ-5’

Определите верную открытую рамку считывания и найдите последовательность аминокислот во фрагменте конца полипептидной цепи. Известно, что конечная часть полипептида, кодируемая этим геном, имеет длину более четырёх аминокислот. Объясните последовательность решения задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Схема решения задачи включает следующие элементы:

1) последовательность иРНК:

5’-ААГЦГЦУААУАГЦАУАУ УАГ АГЦУА-3’;

2) в последовательности иРНК присутствует стоп-кодон 5’-УАГ-3’ (УАГ);

3) по стоп-кодону находим открытую рамку считывания;

4) последовательность полипептида: ала-лей-иле-ала-тир.

Четвертый тип. Замена аминокислоты

• В данном случае необходимо по таблице генетического кода сравнить триплеты, которые кодируют исходную аминокислоту и аминокислоту после мутации . Сравнивая два триплета, необходимо определить отличный нуклеотид, замена которого и привела к мутации. Также стоит указать не только замену триплета (нуклеотида) в иРНК, но и в двухцепочечной ДНК.

Задача №8

Пятый тип. Работа с вирусной РНК

• В данном случае необходимо вспомнить, что РНК-содержащие вирусы обладают обратной транскрипцией , т.е. после проникновения в клетку синтезируют по принципу комплементарности на вирусной РНК вирусную ДНК, которая встраивается в ДНК клетки-хозяина. Затем запускаются клеточные механизмы синтеза белка, т.е. транскрипция и трансляция вирусных белков.
• Таким образом, в данной задаче мы двигаемся в направлении:

1) вирусная РНК – первая цепь вирусной ДНК →

2) первая цепь вирусной ДНК-вторая цепь вирусной ДНК →

3) транскрибируемая цепь вирусной ДНК-иРНК →

4) иРНК → белок

Задача №9

Задача №10

• Вирус бешенства относится к группе Рабдовирусов. Наследственная информация у данных вирусов представлена одноцепочечной молекулой РНК , на основе которой с помощью вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы осуществляется синтез в клетке РНК , кодирующих белок. В клетку проникла вирусная РНК следующей последовательности:
• 5’ГЦУЦАААУУЦЦЦУГУ-З’
• Определите, какова будет последовательность вирусного белка, а также последовательность иРНК, кодирующей вирусный белок. Благодаря какому свойству генетического кода данный фрагмент нуклеиновой кислоты будет кодировать одинаковый фрагмент белка при инфицировании данным вирусом как человека, так и собаки ?

• Схема решения задачи включает следующие элементы:

• РНК вир.: 5′-ГЦУ-ЦАА-АУУ-ЦЦЦ-УГУ-З’
• и-РНК: 5′-АЦА-ГГГ-ААУ-УУГ-АГЦ-3′
• белок: тре-гли-асн-лей-сер
• Свойство генетического кода – универсальность

Шестой тип. Определение последовательности иРНК и ДНК по антикодонам тРНК

• Если в предыдущих задачах мы шли в направлении ДНК-иРНК-белок , то в данном случае мы двигаемся в обратном направлении:

• антикодоны тРНК → иРНК → ДНК

• Важно понимать, что все цепи нуклеиновых кислот антипараллельны друг другу, антикодоны тРНК и иРНК не исключение. При этом начало любой цепи начинается с 5’-конца, а заканчивается 3’-концом. Но т.к. иРНК мы привыкли записывать в том же направлении с 5’-конца, поэтому, учитывая принцип антипараллельности, нужно «перевернуть» антикодоны тРНК , т.е. если дан антикодон 5’-ЦГУ-3’, лучше записать его 3’-УГЦ-5’.
• В данном типе задач есть : два варианта
• 1) определить последовательность нуклеотидов , двухцепочечной , иРНК, ДНК последовательность (№ 11-12); аминокислот
• 2) определить последовательность нуклеотидов и в иРНК аминокислот полипептиде до замены (триплета в иРНК/одного из антикодонов тРНК) и после (№26, 27).

Задача №11

Задача №12

Седьмой тип. Определение последовательности тРНК

Если ген кодирует белок , тогда в процессе транскрипции мы получим иРНК , а с нее последовательность аминокислот в белке.

Если же ген , как в данной задаче, кодирует тРНК , тогда в процессе транскрипции мы получим последовательность тРНК , которая никогда не является матрицей для синтеза белка, а участвует в переносе аминокислоты к рибосоме.

В данном типе задач возможно 3 варианта:

1) определить аминокислоту , которую будет переносить тРНК (№13),

2) определить антикодон тРНК (№14),

3) определение , , антикодона тРНК и палиндромов вторичной структуры аминокислоты, которую будет переносить данная тРНК (№15).

Чтобы узнать, какую аминокислоту будет переносить данная тРНК, необходимо напротив антикодона тРНК установить триплет иРНК, а дальше по нему, используя таблицу генетического кода, определить аминокислоту.

Таким образом, данном случае мы двигаемся в направлении:

1)ДНК-тРНК → 2)антикодон тРНК-кодон иРНК → 3) кодон иРНК -аминокислота

Чтобы определить антикодон тРНК , необходимо по таблице генетического кода определить какие возможные кодоны в иРНК кодируют соответствующую аминокислоту. Затем к этим кодонам по принципу комплементарности подобрать возможные антикодоны в тРНК, после чего искать один из этих антикодонов в цепи тРНК.

Таким образом, в данном случае мы двигаемся в направлении:

1)ДНК-тРНК → 2) аминокислота-кодоны иРНК →

3) кодоны иРНК – антикодон тРНК

Новый тип задач (обещано, что таких не будет)

• Чтобы определить необходимо одновременно с 5′ и 3′- концов тРНК палиндромы, искать комплементарные группы нуклеотидов, которые во вторичной структуре образуют двухцепочечный фрагмент. При этом оставшаяся часть некомплементарных нуклеотидов в центре будет образовывать петлю с антикодоном. Чтобы его определить, от двух крайних нуклеотидов палиндромов необходимо «вычеркивать» по одному нуклеотиду до тех пор, пока не останется три последних, которые и являются антикодоном. Далее задача решается по типу 1.

Задача №13

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5′ -АЦТАЦГЦАТТЦАТЦГ-3′

3′ -ТГАТГЦГТААГТАГЦ-5′

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте ДНК. Укажите, какой триплет является антикодоном, если данная тРНК переносит аминокислоту ала. Объясните последовательность решения задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Схема решения задачи включает:

1) последовательность тРНК: 5’-ЦГАУГАА УГЦ ГУАГУ-3’

или 3’-УГАУГЦГУААГУАГЦ-5’;

2) аминокислоту ала кодирует кодон иРНК 5’ГЦА-3’ (3’-АЦГ-5’, ГЦА);

3) ему соответствует антикодон 5’-УГЦ-3’(УГЦ, 3’-ЦГУ-5’).

Задача 14.

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь матричная (транскрибируемая)):

5′ -АЦТАЦГЦАТТЦАТЦГ-3′

3′ -ТГАТГЦГТААГТАГЦ-5′

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте ДНК. Укажите, какой триплет является антикодоном, если данная тРНК переносит аминокислоту ала. Объясните последовательность решения задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Схема решения задачи включает:

1) последовательность тРНК: 5’-ЦГАУГААУГЦГУАГУ-3’

или 3’-УГАУГЦГУААГУАГЦ-5’;

2) аминокислоту ала кодирует кодон иРНК 5’ТЦА-3’ (3’-АЦГ-5’, ГЦА);

3) ему соответствует антикодон 5’-УГЦ-3’(УГЦ, 3’-ЦГУ-5’).

Задача 15.

Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу в одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. В цепи РНК и ДНК могут иметься специальные комплементарные участки — палиндромы, благодаря которым у молекулы может возникать вторичная структура. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь — матричная):

5’ – Г А А Т Т Ц Ц Т Г Ц Ц Г А А Т Т Ц – 3 ’

3’ – Ц Т Т А А Г Г А Ц Г Г Ц Т Т А А Г – 5 ’

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте. Найдите на данном участке палиндром и установите вторичную структуру центральной петли тРНК. Определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если антикодон равноудален от концов палиндрома. Объясните последовательность решения задачи. Для решения используйте таблицу генетического кода. При написании нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.

Схема решения задачи включает:

1) нуклеотидная последовательность участка тРНК: 5’-ГААУУЦЦУГЦЦГААУУЦ-3’;

2) палиндром в последовательности: 5’-ГААУУЦ-3’ (3’-ЦУУААГ-5’)

3) вторичная структура тРНК:

4) нуклеотидная последовательность антикодона в тРНК 5’-УГЦ-3’ (УГЦ) соответствует кодону на иРНК 3’-АЦГ-5’ (5’-ГЦА-З’, ГЦА);

5) по таблице генетического кода этому кодону соответствует аминокислота ала (аланин), которую будет переносить данная тРНК.

Репликация ДНК

Использованные ресурсы:

• Материалы репетитора по биологии Алены Вербиной сообщества «Биология ЕГЭ 2023» (ссылка:https://vk.com/biolabege)

Спасибо за внимание!

Время на прочтение
23 мин

Количество просмотров 12K

_{Иллюстрация melmagazine.com (Source: melmagazine.com/wp-content/uploads/2019/11/DNA-1280×533.jpg)}

В настоящее время для информационного обмена широко используются сети общего доступа с каналами, не защищенными от нарушителя. Обмен сообщениями в таких связных и компьютерных сетях пользователи вынуждены защищать самостоятельно. Так как сами каналы передачи сообщений пользователь защитить не может, он защищает сообщение.

Что в сообщении защищается? Во-первых, синтаксис (целостность) с этой целью используется кодология (кодирование и анализ кодов), во-вторых, семантика (конфиденциальность) для чего используются криптология (криптография и криптографический анализ), в-третьих, косвенно нарушителю можно ограничить доступность сообщения путем скрытия факта его передачи для чего используется стеганология (стеганография и стеганоанализ).

Перечисленные возможности теоретически и практически обеспечены в разной мере, и хотя каждое направление развивается достаточно длительное время, они еще далеки от завершения. В предлагаемой работе коснемся только одного частного вопроса — анализа кодов сообщений.

Введение

В качестве объекта анализа выбран генетический код (ГК). С любопытным примером использования ГК в области информационной защиты (по-видимому непрофессиональной и потому не успешной) можно познакомиться здесь.

В теории кодирования могут быть выделены два важных направления: кодирование источника информации и канальное кодирование. Первое из них реализуется, как правило, передающей стороной и имеет целью — устранение избыточности сообщений (пример, код Морзе), целью второго является — обнаружение и устранение ошибок в сообщениях. До появления корректирующих кодов задача устранения ошибок решалась повторной передачей искаженного фрагмента сообщения по запросу приемной стороны.

Здесь отметим факт невозможности правильного расшифрования приемной стороной шифрграммы, если в ее тексте возникли ошибки. Шифры не позволяют ни обнаруживать ошибки, ни тем более их исправлять. По этой причине на передающей стороне системы связи сообщение-шифрграмма кодируется корректирующим кодом, а на приемной стороне декодер в полученном сообщении обнаруживает (если они есть) и исправляет ошибки.

После этого вступает в дело криптосистема и легитимному получателю предоставляется расшифрованное сообщение. Таковы в общих чертах положения функционирования сетей, обменивающихся защищенными сообщениями.

В этой работе займемся подробно анализом очень важного Генетического кода, который создан не разумом человека, а самой природой (редкий случай).

История одного открытия и Нобелевская премия

Зададимся вопросом, как природой на уровне генетики и метаболизма организмов (клеток) реализованы такие положения информационного обмена в жизнедеятельности видов и их отдельных представителей?

Научному миру еще до Второй мировой войны было известно, что у живых организмов передача от поколения к поколению наследственных признаков осуществляется через относительно простые химические единицы (гены), включающие огромное количество информации, необходимой для продолжения и воспроизводства жизни.

Все гены (не являются белками) связываются в цепочки (хромосомы) и материализуются в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). У специалистов не было ясности в том, как все происходит и как устроена сама ДНК.

Молодые исследователи физик англичанин Ф. Крик и биолог американец Дж. Уотсон в 1953 году (25.4) опубликовали в журнале Nature статью «Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». На момент начала их работы 1949 г. Джеймсу Уотсону было 23 года, Френсису Крику и Морису Уилкинсу по 33.

В статье авторы описали модель пространственной структуры ДНК в виде двойной спирали, две нити которой закручивалась вправо. Сами нити при этом оказывались связанными поперечными «ступенями», образованными из нуклеотидов.

Определение. Нуклеотиды — соединения, состоящие из сахара, азотсодержащих оснований (пурина или пиримидина) и фосфорной кислоты. Нуклеотиды являются «строительными блоками» для ДНК и РНК.

Эта спираль ДНК – носитель генетического кода – кода наследственности признаков организмов животных и растений. Это была совершенно необычная новая работа о строении и свойствах молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Модель ДНК молодых авторов получила подтверждение при сопоставлении ее с рентгеновской дифракционной картиной кристаллической структуры ДНК английского биофизика Мориса Уилкинса. Позднее был открыт генетический код, содержащий и передающий информацию о синтезе структуры и состава белков – основных составляющих каждой клетки живых организмов, реализующей клеточный цикл.

Определение. Клеточный цикл — правильное чередование периодов относительного покоя с периодами деления клетки.

В этом же году позднее авторы опубликовали еще одну статью, в которой описывался возможный механизм копирования ДНК путем матричного синтеза при делении живых клеток. Двойная спираль ДНК уподоблялась «замку молния».

Каждая нить спирали после «расстегивания замка» и разведения нитей становилась синтезирующей матрицей и достраивалась второй нитью материалом из цитоплазмы клетки по принципу комплементарности до полной ДНК. Там же говорилось, что определенная последовательность оснований (кодонов, триплетов) является кодом, который содержит генетическую информацию.

Идея математизации кода высказывалась впервые Г. Гамовым в статье 1954 года как проблема перевода слов из четырехбуквенного алфавита (системы) в слова двадцатибуквенного алфавита. Он представил проблему кодирования жизненных явлений не как биохимическую, а как комбинаторную математическую задачу. Предварительные длительные усилия авторов этого труда хорошо описаны в книге Д. Уотсона «Нить жизни».

В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для пере-дачи информации в живой материи».

Они располагали информацией о следующих фактах:

1. В 1866 г Грегором Менделем сформулированы положения, что «элементы», названные позднее генами, определяют наследование физических свойств особей вида.
2. Было известно, что гены или ДНК, управляют биосинтезом (образованием) клеточных белков, названных ферментами, и метаболизмом в целом таким образом контролируя биохимические процессы в клетке.
3. В 1869 г Ф. Мишером открыта нуклеиновая кислота, хранящая наследственную информацию. Такая кислота имеется в каждой клетке и содержится в ее ядре. Информация материализована двумя нуклеиновыми кислотами дезоксирибуиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Они близки по химическому составу. Каждая образована 4-мя нуклеотидами (азотистыми основаниями): ДНК включает аденин (А), тимин (Т), гуанин (G), цитозин (С); РНК включает аденин (А), урацил (U) вместо тимина, гуанин (G), цитозин (С), а также молекулами моносахарида группы пентоз (дезоксирибозы или рибозы) и фосфатом.
4. В первые десятилетия ХХ века были выяснены химический состав и структура нуклеиновых кислот, установлено, что гены – это участки молекулы ДНК и помещаются в хромосомах, структурных элементах ядра клетки.
5. В 1950 г. Эрвин Чаргафф из Колумбийского университета показал, что нуклеиновые кислоты включают равные количества 4-х азотистых оснований.
6. Морис Уилкинс и Розалинда Франклин из Королевского колледжа Лондонского университета на основании рентгеновского дифракционного исследования молекулы ДНК получили изображение ДНК в форме двойной спирали, закрученной вправо, напоминающей винтовую лестницу.
7. Исследование белковых молекул показало, что около 20-ти важнейших аминокислот служат мономерными звеньями, из которых построены все белки (ферменты), синтезируемые в клетках организмов.
8. В 1944 г физик Эрвин Шрёдингер написал и опубликовал книгу «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки». В книге вопрос: «Как можно пространственно-временные события, происходящие в живом организме, объяснить с позиции физики и химии?».
9. В 1954 г Георгий Гамов высказал гипотезу о том, что информация о строении белков передается синтезирующей их клеточной системе отображением трехбуквенных слов (триплетов) 4-х буквенного алфавита в слова 20-ти буквенного алфавита, где роль букв играют аминокислоты, входящие в состав белков.

Исследователям предстояло сделать очередной шаг, и он был сделан.

В гипотезах и предположениях недостатка не было, но кто-то должен проверять их истинность.
Перекрывающиеся коды (один нуклеотид-буква входит в состав более чем одного кодона): треугольный, мажорно-минорный и последовательный, предложены Гамовым с коллегами;
неперекрывающиеся коды: комбинационный Гамова и Ичаса, «код без запятых» Крика, Гриффита и Оргела. В комбинационном коде аминокислоты (20) кодируются триплетами из 4-х нуклеотидов, но важен не их порядок, а только состав: триплеты ТТА, ТАТ, АТТ кодируют в белках одну и ту же аминокислоту.

Код без запятых объяснял, как выбирается «рамка считывания». Такое «скользящее окно» вдоль нити ДНК, где буквы следуют, друг за другом без разделителей (запятых) их на слова предполагает, что слова все-таки как-то различаются. Согласно модели Ф. Крика делалось допущение: все триплеты разделяются на осмысленные, т. е. соответствующие конкретным аминокислотам, и не имеющие смысла.

Если только осмысленные триплеты формируют ДНК, то в другой «рамке считывания» такие триплеты окажутся не имеющими смысла. Авторы этого кода показали, что можно подобрать триплеты, удовлетворяющие таким требованиям и что их ровно 20. Конечно, полной уверенности в своей правоте у авторов не было.

Действительно, после 1960 года было показано, что кодоны, считавшиеся Криком бессмысленными, в пробирке реализовывали белковый синтез, а к 1965 году был установлен смысл всех 64 кодонов-триплетов. Выяснилось также, что ряд аминокислот кодируется двумя, тремя, четырьмя и даже шестью разными триплетами, т. е. имеет место определенная избыточность, назначение которой еще предстоит определить.

Генетический код жизни. Наследственная информация

Определение. Генетический код – множество слов, задающих способ кодирования цепочками нуклеотидов (букв алфавита А, G, C, T), последовательности аминокислот синтеза белков, свойственных всем живым организмам. Цепочки триплетов (кодовых слов) образуют хромосомы – носители наследственной информации. Каждому виду живых организмов соответствует свой хромосомный набор. Этот способ кодирования универсален и реализуется в каждой клетке растительного и животного организма при ее делении.

Для кодирования каждой из 20 видов канонических аминокислот, из которых строятся далее практически все белки и терминального сигнала «стоп» оказывается достаточно набора из трех нуклеотидов (букв), называемого триплетом (кодоном). Последовательность кодонов формирует в хромосомной нити ген и определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном. Существовала концепция «один ген – один фермент».

Классическое представление информации (линейность ее записи) – это тексты в широком понимании (речь, письма, книги, изображения, фильмы, музыка и т. п.) этого слова в некотором естественном языке (ЕЯ). Язык включает обширный словарь (лексику), а если ЕЯ кроме устной речи имеет письменность, то и алфавит с грамматикой.

Для сохранения информации в течение длительного времени и передачи ее копий необходимы прочная, хорошо защищенная память и письменность. Наследственная информация живых организмов записана ЕЯ природы в длинных текстах словами в некотором «молекулярном» алфавите, которые хранятся в форме хромосом в ядрах всех клеток живых организмов.

Процессы и пути переноса информации, записанной на естественных её носителях-молекулах, сформулированы Ф. Криком (1958 г.) в форме центральной догмы молекулярной биологии. Три основных процесса обеспечивают управление всеми остальными процессами функционирования клетки и жизни организмов в целом.

Эти процессы: репликация, транскрипция и трансляция. Далее о них будет сказано более подробно. Информация в организмах передается только в одном направлении от нуклеиновых кислот (ДНК → РНК →белок) к белку, обратной передачи не существует. Возможны особые случаи ДНК → белок, РНК→ РНК, РНК → ДНК.

Чтение информации вдоль молекулярных цепочек допустимо только в одном прямом направлении. Используется понятие «рамка считывания».

Определение. Рамкой считывания (открытой) называется последовательность неперекрывающихся кодонов, способная синтезировать белок, начинающаяся со старт-кодона и завершающаяся стоп-кодоном. Рамка определяется самым первым триплетом, с которого начинается трансляция.

Для начала трансляции старт-кодона недостаточно, необходим ещё инициационный кодон (их три: AUG, GUG, UUG). После его считывания трансляция идет путем последовательного считывания кодонов рибосомальной рРНК и присоединения аминокислот друг к другу рибосомой до достижения стоп-кодона.

Кодоны в ходе трансляции «читаются» всегда с некоторого стартового инициирующего символа (AUG) и не перекрываются. Чтение после старта триплет за триплетом идет до стоп-кодона завершения синтеза белковой полипептидной цепи.

Эти факты обобщаются в таблице способов передачи генетической информации.

Таблица 1 – Центральная догма молекулярной биологии

История изучения текстов наследственности организмов, их осмысления, длительная, богатая открытиями, достижениями, заблуждениями и разочарованиями. Перечень событий истории постижения (познания) текстов природы представляет несомненный интерес, как для науки, так и для каждого отдельного человека.

Слова текстов имеют очень большую длину, но алфавит письменности «ЕЯ природы» содержит всего четыре буквы – это молекулярные основания: в РНК это А (аденин), С (цитозин), G (гуанин), U (урацил) (в ДНК урацил заменяется на Т (тимин)). Язык живой природы – это язык молекул.

Биологами установлено, что каждое слово текста наследственности образовано полимерной молекулой ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты, открытой в 1868 г. врачом И. Ф. Мишером), построенной из 4-х оснований (нуклеотидов – от nuclear — ядерный).

Основания скрепляются (соединяются) между собой в пары, А ←→ Т, Т←→ А, G ←→ C, С ←→ G особыми водородными связями, реализующими принцип дополнительности (комплементарности). Эти факты устанавливались в разное время, разными учеными и методами многих наук (физики, химии, биологии, цитологии, генетики и др.). Сложности на пути познания этого ЕЯ встречались постоянно.

Молекулы ДНК не кристаллизовались, но когда это удалось сделать, то задача установления структуры ДНК свелась к решению обратной задачи рентгеноструктурного анализа (преобразованием Фурье дифракционной картины кристалла, созданной на экране рентгеновскими лучами).

На рассчитанной и собранной вручную Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году модели аналогично детской игре «LEGO», где элементами являлись молекулярные основания и очень точно выдерживались межатомные расстояния и углы разворота, была воспроизведена структура хромосомы в большом масштабе.

Эта модель практически подтвердила многообразные гипотезы теоретиков и убедительно доказала отсутствие расхождений с практическими экспериментами и результатами рентгеноструктурного анализа кристаллической ДНК.

Основные детальные данные о химическом строении ДНК и числовые характеристики модели были получены Розалиндой Франклин и М. Уилкинсом ранее 1953 г. в лаборатории рентгеноструктурного анализа. Конфликт ученых описан в романе «Одиночество в сети» Януша Леона Вишневского.

Наличие наглядной структуры ДНК и ее количественных характеристик дало толчок для развития генетики и всех бионаук, из которого возникла идея проекта «Геном человека» 2000 г. Уотсон стал первым руководителем этого проекта, в рамках проекта был полностью расшифрован хромосомный набор человека Homo sapiens. Полная генетическая карта 1-й хромосомы завершена в 2006. Карта содержит 3141 ген и 991 псевдоген.

С позиций математики четырем буквам алфавита можно приписать четыре элемента конечного расширенного поля Галуа GF(2²) = (0, 1, α, β), операции с которыми выполняются по модулю неприводимого многочлена р(х) = х² + х + 1. Тогда α + β = 1, α∙β = 1 и сопоставление элементов поля буквам принимает вид

, а дополнительный (комплементарный) нуклеотид вычисляется по правилу ¬х → х + 1, откуда Т → А + 1, С → G + 1.

Структурно модель ДНК представляет две эквидистантные полимерные цепи попарно соединенных нуклеотидов (по принципу веревочной лестницы) и закрученных в правую двойную спираль. Ниже по тексту вертикально выписанные пары букв соответствуют ступеням «лестницы»:

Т А G G T T C G Т …
A T C C A A G C A …

Две цепи повторяют последовательность букв, но начало одной расположено напротив конца другой. Информация в молекулах ДНК записывается с большой степенью избыточности, что, конечно, обеспечивает высокий уровень надежности при считывании информации и ее копировании (репликации: ДНК → ДНК). К исходному слову приписывается еще одно, но в дополнительном коде.

Все хромосомы содержат в своем составе гены и в каждой клетке содержатся в очень малом объеме (в ядре клетки) и короткие и очень длинные. Расстояние между нитями ДНК составляет 2 нм, между «ступеньками» – 0.31 нм, один полный оборот «спирали» через каждые 10 пар. Суммарная длина всех ДНК, вытянутых в одну нить достигает 2м. Наследственная информация человека записана в 23 хромосомах. Длина хромосомы порядка 10⁹ нуклеотидов, а диаметр ядра меньше микрометра. Таким образом, ДНК в клетке компактизована.

Определение. Ген (греч.γενοζ – род). Структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Гены (точнее аллели) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении.

В словах ДНК можно выделить и рассматривать отдельные части-подслова (гены), которые несут целостную информацию о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Кроме того, гены характеризуются регуляторными последовательностями (промоторами).

Промоторы могут быть расположены как в непосредственной близости от открытой «рамки считывания», кодирующей белок или начала последовательности РНК, так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), например, в случаях с энхансерами, инсуляторами и супрессорами.

Каждый ген предназначен и отвечает за создание определенного белка, необходимого для жизнедеятельности организма. Понятием генотип обозначается наследственная конституция гамет (половых клеток) и зигот (соматических клеток) в отличие от фенотипа, описывающего благоприобретенные признаки, которые по наследству не передаются.

Блоковые коды

Код многозначное понятие. Кодом, прежде всего, можно назвать множество кодовых слов, образующих собственно сам код. Именно такие слова распознает декодер на приемной стороне при передаче сообщений, а на передающей — их формирует кодер.

При формировании кодовых слов используется однозначное отображение конечного упорядоченного множества символов, принадлежащих некоторому конечному алфавиту, на иное, не обязательно упорядоченное, как правило, более обширное множество символов для кодирования передачи, хранения или преобразования информации

Перечислим свойства рассматриваемого генетического кода (ГК):

• Универсальность. Общность кода для всего живого мира. Универсальность подтверждена экспериментами по синтезу белков in Vitro (в пробирке). В бесклеточную систему одного организма (животного) помещали мРНК другого (растительного) и при этом реализовывался белковый синтез.
• Полярность. Однонаправленность считывания генов ДНК, РНК.
• Триплетность. Значащей единицей ГК является триплет или кодон. Три нуклеотида (буквы алфавита) – кодон, триплет, кодовое слово.

  Г. Гамовым было высказано предположение о триплетности кода. Поскольку речь идет о 4-х нуклеотидах, образующих алфавит, и о 20 аминокислотах, используемых при синтезе белков, каждая из них должна в качестве прообраза иметь одно (или более) синтезирующее ее слово.

  Следовательно, такие слова не могут состоять из одной буквы (моноплетами), их всего 4; не может быть слов и из 2-х букв (дуплетов), так как их разнообразие ограничено 4² =16 словами; трехбуквенные слова (триплеты) 4³ = 64 > 20 подходят и даже с избытком. С длиной слов кода определились.

• Вырожденность. Вырожденностью ГК называется способность разных кодонов кодировать одну аминокислоту. Эта способность не приводит к двусмысленности, так как для пары кодонов-синонимов, соответствующих одной аминокислоте, ни один из них не кодирует одновременно ещё какую-то аминокислоту. Чаще всего у таких кодонов совпадают первые две позиции.

  Свойство связано с избыточностью. Состав каждого слова из 64 возможных был установлен лишь в 1965 году на основе многочисленных опытов. Выяснилось, что избыточность числа слов при синтезе некоторых белков используется природой для надежности правильности считывания информации. В итоге получилось, что каждая аминокислота кодируется разным числом триплетов (кодонов). Свойство кода назвали вырожденностью.

  Таблица 2 — Количественные соотношения триплетов и аминокислот
  

  Всего использовано для синтеза 20 аминокислот 61 триплет, три триплета не синтезируют белков. Они используются как разделители, терминаторы между генами. Кодон AUG – первый после лидерной последовательности выполняет функцию прописной буквы слова.
  Неперекрываемость. Нуклеотид одного кодона не может быть частью другого соседнего. Перекрытия имеют вид AGC, GCU, CUA,… это приводит к тому, что аминокислоты в белках не могут следовать произвольно. На практике же встречаются в произвольном порядке из чего следовало, что перекрытия в коде недопустимы. Одно и то же основание не может входить в состав двух соседних кодонов.

• Непрерывность. Отсутствие разделителей между словами-кодонами и наличие знаков разделителей между генами.

  Каждый ген предназначен и отвечает за создание определенного белка, необходимого для жизнедеятельности организма. Понятием генотип обозначается наследственная конституция гамет (половых клеток) и зигот (соматических клеток) в отличие от фенотипа.

• Однозначность кода. Каждый кодон-триплет кодирует лишь одну аминокислоту, либо играет роль терминатора трансляции. Имеется и исключение: кодон AUG у прокариот он в первой позиции (прописная буква) кодирует формилметионин, в других позициях – метионин.
• Компактность кода. Под компактностью кода понимают отсутствие разделителей между кодонами в пределах гена. Каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона. В 1961 году экспериментально была доказана Ф. Криком и Сеймуром Бензером триплетность и компактность кода.
• Дискретность – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов;
• Кроссинговер – обмен гомологичными (содержащими одни и те же гены) участками несестринских хроматид.

Рассмотрим два дискретных множества Х и n, содержащие соответственно |X| и |n| элементов и отображение φ: n → Х. При представлении произвольных отображений множеств словами в алфавите Х получается множество Хⁿ слов, каждое длиной n символов из имеющихся q = |X|, которые образуют алфавит текстовых сообщений. Удобно все слова Хⁿ расположить в лексикографическом порядке в общий список.

Нашей целью в этой части работы является формирование кода, обеспечивающего кодирование (преобразование) передаваемых данных в форму удобную для передачи в пространстве и времени и трансляцию (перевод) с одного языка на другой понятный получателю сообщения.

Формирование кода предполагает выбор алфавита, определение регулярности, а при выборе регулярного кода, определение длины кодового слова, определение количества кодовых слов, определение побуквенного состава каждого слова.

Таблица 3 — Генетический код состоит из 64 кодовых слов из 3-х букв каждое

Таблица 4 — Обратные значения кодовой последовательности триплетов РНК

Дополнительные свойства кода, например, код не должен иметь запятой, определяются более жесткими требованиями к названным параметрам кода. Код без запятой должен иметь слова с максимальным периодом. Такие требования ориентированы на удобство последующего синтеза кодека. С этими положениями синтеза кода тесно связаны вопросы кодирования информации и ее декодирования.

Анализ кода

Совсем по-другому звучит задача анализа кода, когда код уже существует и используется, но о нем самом практически мало что известно. Кодированные сообщения доступны для обозрения и изучения, но они столь разнообразны и многочисленны, что принцип их создания не просматривается даже при весьма обширном их анализе.

Собственно, сама система кодирования также доступна для наблюдения и изучения, но уровень сложности ее построения и функционирования не позволяет получить полное качественное и достоверное описание.

Информация (данные) представляет собой сообщение, т.е. цепочку символов алфавита, которая с некоторой стартовой позиции может быть разбита на отрезки (блоки) длиной n символов, и каждый такой отрезок представляет собой кодовое слово. Код в этом случае блоковый.

На приемной стороне канала передачи сообщения получатель должен иметь возможность правильно разделять непрерывную цепочку символов сообщения на отдельные слова. Использование разделителей слов (запятой) нежелательно, так как требует ресурсов.

Синхронизация. Без выполнения синхронизации правильная трансляция сообщения невозможна. Отсюда вытекает одно из требований к формируемому коду – код должен быть устроен так, чтобы синхронизация обеспечивалась однозначно средствами (свойствами) самого кода и приемного устройства информации.

Определение. Процесс установления позиции, содержащей стартовый (начальный) символ кодового слова, называется синхронизацией.
Задача синхронизации просто решается, если в алфавите используется специальный символ-разделитель слов, например, запятая. Рамка считывания очередного кодового слова устанавливается непосредственно за разделителем.

Такой разделитель удобен, но нежелателен по нескольким причинам.

• Во-первых, код должен быть таким, чтобы в пункте прибытия сообщения оно имело точно такой же вид, как и в пункте отправления (обеспечение поддержания целостности);
• Во-вторых, время кодирования, декодирования и длительность передачи должны быть как можно меньшими, так как при этом сокращается возможность искажающих влияний среды на текст сообщения;
• В-третьих, объем носителя сообщения желательно иметь небольшим, так как при этом требуются меньшие затраты ресурсов хранения, защиты и др.

Для лучшей различимости слов кода они в полном списке возможных слов должны быть удалены одно от другого на некоторое расстояние, т.е. различаться составом значений символов, как векторы векторного пространства компонентами.

Следовательно, кодовыми словами могут быть не все и не любые слова множества Х ⁿ, а только лишь некоторое их подмножество D є Х ⁿ. Выбор символьного состава слов кода и представляет основную задачу его формирования, так как именно состав слов кода должен обеспечивать удовлетворение сформулированным требованиям к коду. Таким образом, будем далее рассматривать код без запятой.

Синхронизация кода без запятой. Покажем здесь, как может быть обеспечена однозначность синхронизации кода без запятой. Выберем два триплета кодовых слова вида х = (х₁, х₂, …, х_n) и у = (у₁, у₂, …, у_n). Образуем их конкатенацию х||у = (х₁, х₂, …, х_n, у₁, у₂, …, у_n). Эта конкатенация из двух слов позволяет породить еще n – 1 слово множества Хⁿ путем многократных циклических сдвигов на одну позицию влево и выделения первых n символов сдвинутой последовательности. Введем важное понятие перекрытия пары слов.

Определение. При циклических сдвигах символов на шаг получаются слова вида (х₂, …, х_n, у₁), (х₃, …, х_n, у_1, у₂)…( х_n, у_1,…, у_n-2, у_n-1), которые называются перекрытиями пары слов х и у.

Если все перекрытия в конкатенации для любой пары кодовых слов не являются кодовыми словами, то механизм приемной стороны (декодер) канала передачи информации имеет возможность устанавливать однозначно стартовую позицию. Это возможно при наличии у декодера списка D всех кодовых слов и возможности сопоставления их со считываемыми n символами из принятого сообщения.

Покажем, как это осуществляется. Пусть в принятой последовательности символов выбран и зафиксирован некоторый символ. Отсчитав n символов от фиксированного, декодер сопоставляет слово, которое получилось, со словами кодового списка. Если имеет место совпадение с одним из слов кодового списка, то синхронизация установлена. Фиксированный символ и его позиция стартовые.

Если совпадения нет ни с одним из слов списка кода, т. е. попали на слово-перекрытие, то это означает, что стартовая позиция расположена левее фиксированной позиции.
Сдвигаемся влево на одну позицию от фиксированной и повторяем действия предыдущего шага до тех пор, пока не получим на некотором шаге совпадения с одним из кодовых слов. Этот процесс обязательно имеет успешное завершение в правильной стартовой позиции, т. е. синхронизация в среднем устанавливается за число n/2 шагов.

Определение. Блоковым кодом без разделителя (запятой) называется подмножество D є Х ⁿ слов длины n в алфавите Х таких, что для любых двух кодовых слов х, у єD все перекрытия для них не являются кодовыми словами.

Мы уже установили, что такой код обеспечивает правильную синхронизацию в длинных цепочках кодовых слов без разделителей между ними. Какие же слова из множества Х ⁿ включаются в подмножество D є Х ⁿ? Если мощность множества Х ⁿ делится на целые числа, то мощность D может быть одним из таких делителей (теорема Лагранжа о группах) и код при этом называется групповым блоковым кодом без запятой.

Состав символов в словах кода пока остается не установленным, так же, как и количество слов в D. Очевидно, что выбор конкретного подмножества D из Х ⁿ имеет много вариантов (сочетаний из Х ⁿ по D), из которых только немногие или возможно единственный удовлетворяет всем требованиям к коду без запятой. Нами рассмотрено одно из важных требований о перекрытиях, и это свойство слов кода может быть использовано в качестве фильтра для отсеивания непригодных вариантов при выборе D.

Перейдем к решению вопроса о числе слов в формируемом коде.

Мощность кода без запятой. Будем отыскивать наибольшее из возможных число слов в коде D, которое обозначим символом |D| = W_n(q). Точное значение получить не удается, но оценку сверху для количества слов получить возможно, используя понятие периода слова. Обозначим символом Т ^kх циклический сдвиг слова длиной n на k шагов, k < n.

Определение. Периодом d кодона (кодового слова) называется наименьшее число k, при котором Т ^kх = х и d ≤ n, d | n. Слова максимального периода d = n называются полноцикловыми (основными). Код без запятой включает в свой состав только полноцикловые слова.

Действительно, пусть кодовое слово х = (х₁, х₂, х₃, х₁, х₂, х₃ ) имеет период d < n. Обозначим символом || операцию конкатенации над словами. Образуем из слова х конкатенацию х||х = (х₁, х₂, х₃ ; х₁, х₂, х₃ , х₁, х₂, х₃ ; х₁, х₂, х₃). Тогда перекрытие, выделенное символом (;) и заливкой совпадает с исходным кодовым словом, что недопустимо в коде без запятой. Отсюда следует вывод о том, что период слов кода не может быть меньше длины слова n.

Пусть Р_n(q) обозначает число полноцикловых слов над алфавитом из q букв. Оценкой сверху мощности кода D без запятой будет выражение W_n(q) ≤ Р_n(q)/n и циклический сдвиг кодового слова не может быть кодовым словом.

Таким образом, для исходных данных примера 1, из множества произвольных 64 слов длиной 3 символа можно создать код, содержащий 20 слов и обеспечивающий синхронизацию. Такой код не лишен недостатков. При внесении в одно из слов ошибки в единственном символе синхронизация кода не будет обеспечиваться. Другими словами, код неустойчив против ошибок.

Приведенный числовой пример может быть использован для иллюстрации и объяснения генетического кода живых организмов, который создан природой на долгом пути эволюции и полностью расшифрован современной наукой в 1966 году. Установлено, что генетический код, неперекрывающийся, и выявлен смысл (интерпретация) каждого кодона.
Итоговая таблица получает следующий вид (рис. 2).

Из таблицы следует, что код является вырожденным. Это означает существование в коде слов-синонимов, например, GUU = GUC = Val, CGG = AGA = Arg и др. Три кодона UAA, UAG, UGA не несут смысловой нагрузки (non-sense). Это терминаторные кодоны, появление любого из них в последовательности символов означает конец трансляции (передачи). Организм погибает, если в результате ошибки буква смыслового кодона будет изменена на терминаторный кодон.

Такие изменения возможны и называются мутациями.

Определение. Мутации — относительно устойчивые изменения наследственного вещества.

Каждая хромосома содержит гены х1, х2, …, хn, которые образуют сложный признак Х организма. Пара хромосом в клетке, полученной при слиянии отцовской и материнской половых клеток, образуется при размножении: одна хромосома получается от отца, другая – от матери (диплоидная пара хромосом).

У гомологичных хромосом все гены совпадают по своей функции, но могут отличаться несколькими нуклеотидами. Подобные отличия часто бывают следствием мутаций, причиной которых могут быть химические, радиационные воздействия, радиоактивное облучение, температурные воздействия, ионизирующие излучения.

Наследственные заболевания вызываются подобными мутациями, закрепленными в хромосомном наборе половых клеток одного из родителей. Известен пример гена человека, кодирующего гемоглобин. При замене буквы Т буквой А в одной позиции гена возникает альтернативная форма гемоглобина. Проявляется это в заболевании, называемом серповидной анемией.

При совпадении значения признака в обеих гомологичных хромосомах, особь называется гомозиготной по данному гену. В других случаях возникает гетерозиготность. Для гомозиготности характерны диплоидные пары вида а), а для гетерозиготности пары вида б) (рис. 3)

Рисунок 3 – диплоидные пары у гомозигот и гетерозигот

Вместо одной диплоидной пары образуется четыре гомологичных хромосомы А, А, а, а, и они распределяются поровну между четырьмя образовавшимися гаметами. Каждая гамета получает также одну из хромосом В, В, b, b, соответствующих сложному признаку. Это распределение происходит для хромосом независимо как между четырьмя гаметами, так и между разными признаками. Эти факты были установлены Менделем и в 1865 году им опубликованы.

Самой впечатляющей особенностью генетического кода следует считать его универсальность. Приведенную схему (рис.1) с успехом можно применять для расшифровки РНК животных и растений. В 1979 году появились результаты о генетическом коде митохондрий, который отличается от значений некоторых кодонов таблицы и с другими правилами узнавания кодонов.

Трансляцию осуществляет рибосома – особый орган клетки. Синхронизация (установка рамки считывания) осуществляется с помощью префикса, AGGAGGU, который называется последовательностью Шайн-Долгарно. Эта пуриновая последовательность присутствует в слове в единственном числе, и вероятность ее искажения мала. Но если искажение все-таки случится, то для организма наступит катастрофа.

Рисунок 1 – Соответствие слов кода аминокислотам Рисунок 2– Спираль ДНК, мРНК и белок

На рисунке 2 показано как последовательность аминокислот в молекуле белка кодируется последовательностью кодонов в молекуле ДНК. Здесь матричная мРНК – молекула посредник. Ее цепочки расходятся по принципу «застежки молнии», в которой роль замка выполняет фермент, разрывающий молекулу по водородным связям.

В клетках генетический код осуществляется тремя матричными процессами: репликацией (происходит в ядре), транскрипцией и трансляцией.

Транскрипция (побуквенная запись ДНК → мРНК) биологический процесс в эукариотических клетках протекает в ядре клетки (отделен ядерной мембраной от цитоплазмы) и представляет собой синтез молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК. Последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается» в такую же последовательность РНК.

Трансляция (считывание и перевод РНК → белок) биологический процесс в прокариотических клетках совмещен с процессом транскрипции, происходит в клеточной цитоплазме, на рибосомах; последовательность нуклеотидов иРНК транспортируется из ядра, переводится в последовательность аминокислот (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК): этот этап протекает при участии транспортной РНК (тРНК) и соответствующих ферментов.
Таким образом, трансляция – это синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в матричной мРНК. Для получения 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трех последовательных нуклеотидов, которые называются триплетом.

Живые организмы распределяются на растения и животных по видам.

Определение. Вид – это совокупность организмов, которые взаимодействуют между собой в процессах жизнедеятельности и размножения. Сами организмы образуются из клеток, которые размножаются делением, из одной клетки в результате деления получается две с идентичным набором хромосом.

Деление клеток бывает двух типов: один для образования соматических клеток (клеток тела), другой – для образования половых клеток (гамет). Вид организма определяется наличием, числом и составом хромосом в клетках организмов, которые являются неизменными (постоянными).

Нормальный рост и развитие организма обеспечивается образованием ростом и размножением соматических клеток в результате митоза. При митозе все хромосомы, находящиеся в ядре клетки, удваиваются перед началом деления клетки (репликация ДНК) и распределяются поровну между двумя дочерними клетками. Набор из 2n2с хромосом в каждой соматической клетке абсолютно одинаков. Митоз сохраняет в клетках постоянное диплоидное число хромосом.

Другой процесс мейоз служит для образования гамет, которые нужны для продолжения рода организмов. В мейозе каждая клетка делится дважды, а число хромосом удваивается один раз. Мейоз приводит к образованию из диплоидных клеток гаплоидных гамет с набором n2c. При последующем оплодотворении гаметы формируют организм нового поколения с диплоидным кариотипом (nc + nc = 2n2c).

Этот механизм реализуется у всех видов, размножающихся половым путем. Мейоз обеспечивает постоянство хромосомных наборов (кариотипов) – наследственность, а созданием новых сочетаний отцовских и материнских генов генотипическую изменчивость.

Предлагаемая работа открывает возможности использования генетического кода для решения задач информационной защиты. Правильное понимание явления природы и его использование возможно только при затрате усилий со стороны исследователя, которого не останавливают трудности на пути глубокого познания окружающей нас природы и ее проявлений.