Как пользоваться таблицей генетического кода: разбор

Дано: фрагмент матричной цепи ДНК 3'-ТАЦ ЦГА ГЦТ ААА ЦГГ АТЦ-5', всего 18 нуклеотидов. Найти: последовательность иРНК и последовательность аминокислот в кодируемом фрагменте белка.

Главное правило: таблицу генетического кода читают по кодонам иРНК, а не по триплетам ДНК, поэтому задача всегда решается в три хода. Достроить иРНК по комплементарности, разбить её на триплеты слева направо и найти каждый триплет в таблице. Ответ: иРНК 5'-АУГ ГЦУ ЦГА УУУ ГЦЦ УАГ-3', пептид Мет-Ала-Арг-Фен-Ала, шестой триплет УАГ - стоп-кодон, аминокислоту он не кодирует. Калькулятор сверху проделывает те же шаги для любой введённой цепи.

Решение по шагам

Шаг 1. Понять, какая цепь дана и в какую сторону её читать. В условии сказано «матричная цепь», и концы подписаны: слева 3', справа 5'. Так матрицу и принято записывать: РНК-полимераза скользит по матричной цепи от 3'-конца к 5'-концу, а саму иРНК наращивает в направлении 5'→3'. Значит, первый нуклеотид иРНК встанет напротив крайнего левого нуклеотида цепи, и переписывать можно просто слева направо, ничего не переворачивая.

Шаг 2. Достроить иРНК по правилу комплементарности. Против аденина ДНК встаёт урацил РНК, против тимина - аденин, против гуанина - цитозин, против цитозина - гуанин. Тимина в РНК нет вообще:

Проходим по цепи буква за буквой и получаем готовую матрицу для рибосомы. Удобно сразу писать иРНК под ДНК, сохраняя разбивку по три:

Шаг 3. Разбить иРНК на триплеты от старт-кодона. Рамку считывания задаёт первый АУГ: от него отсчитывают по три нуклеотида без пропусков и перекрытий. Здесь АУГ стоит в самом начале, поэтому разбивка совпадает с записью условия. Число полных кодонов равно $18 : 3 = 6$.

Шаг 4. Найти каждый кодон в таблице. У таблицы три координаты. Первое основание кодона ищут в левом столбце (строка), второе - в верхней шапке (столбец), третье уточняет ячейку. Для ГЦУ это строка Г, столбец Ц, третье основание У, то есть аланин. Для ЦГА - строка Ц, столбец Г, любое третье основание даёт аргинин. Для УУУ - строка У, столбец У, третье У или Ц даёт фенилаланин.

Шаг 5. Остановиться на стоп-кодоне. Триплет УАГ аминокислоты не кодирует: это один из трёх сигналов терминации наряду с УАА и УГА. Рибосома на нём отсоединяется, и пептид считается законченным. Значит, из шести кодонов аминокислоты дали только пять.

Ответ: иРНК 5'-АУГ ГЦУ ЦГА УУУ ГЦЦ УАГ-3', фрагмент белка Мет-Ала-Арг-Фен-Ала (метионин, аланин, аргинин, фенилаланин, аланин), шестой кодон УАГ - стоп-кодон.

Как устроена таблица генетического кода

Кодонов ровно $4^3 = 64$: три позиции, в каждой один из четырёх нуклеотидов. Из них 61 смысловой и 3 стоп-кодона. Таблица - это просто способ разложить 64 варианта в сетку 4 на 4, где каждая ячейка содержит четыре кодона с общими первыми двумя основаниями:

Из такой раскладки сразу видны свойства кода, на которых держатся все задачи. Код триплетен: одну аминокислоту задают три нуклеотида. Код специфичен: один кодон соответствует ровно одной аминокислоте, обратной неоднозначности нет. Код вырожден: аминокислот 20, а смысловых кодонов 61, поэтому у большинства аминокислот несколько синонимов, и чаще всего они отличаются только третьим основанием. Код неперекрываем и не имеет знаков препинания внутри рамки, а стоп-кодоны работают точкой в конце.

Заметь закономерность, которая экономит время на контрольной: если в ячейке все четыре кодона дают одну аминокислоту (Сер, Про, Тре, Вал, Ала, Гли, Лей в строке Ц, Арг в строке Ц), третье основание можно вообще не смотреть. Именно поэтому замена третьей буквы чаще всего оказывается молчащей, и на этом построены задачи про точечные мутации.

Направление 5'→3' и выбор цепи ДНК

Половина неверных ответов рождается на этом шаге, потому что в условии могут дать любую из двух цепей. Матричная (транскрибируемая) цепь - та, по которой синтезируется иРНК, и иРНК ей комплементарна. Кодирующая (смысловая) цепь - вторая, она комплементарна матричной, и её последовательность совпадает с иРНК с точностью до замены Т на У.

Отсюда два разных алгоритма. Если дана матричная цепь, строй комплементарную РНК, как в разборе выше. Если дана кодирующая цепь, ничего достраивать не нужно: просто перепиши её, поменяв все Т на У. Проверка простая: в иРНК готового ответа старт-кодон должен читаться как АУГ, а не как УАЦ; если получилось УАЦ, ты взял не ту цепь. Само правило комплементарности разобрано в материале про комплементарность оснований и правила Чаргаффа.

Направление тоже задают не для красоты. Таблица составлена для кодонов, записанных в направлении 5'→3'. Если в условии цепь подписана наоборот (слева 5', справа 3'), последовательность перед чтением нужно развернуть, иначе получится зеркальный набор триплетов и чужой белок.

Третья ловушка - антикодон тРНК. В таблице кодоны иРНК, а не антикодоны, поэтому по антикодону сначала строят кодон (он комплементарен), и только потом идут в таблицу. Устройство самой молекулы-переводчика разобрано в статье про вторичную структуру тРНК, а последовательность этапов от гена до готовой цепи - в разборе биосинтеза белка.

Обратная задача: от аминокислот к ДНК

Обратный ход по таблице однозначного ответа не даёт - мешает вырожденность. Для пептида Мет-Ала-Арг-Фен-Ала посчитаем число синонимов у каждой аминокислоты: метионин 1 кодон, аланин 4, аргинин 6, фенилаланин 2, аланин 4. Число разных иРНК, кодирующих один и тот же пептид, равно произведению:

$$N = 1 \cdot 4 \cdot 6 \cdot 2 \cdot 4 = 192$$

Столько же существует вариантов участка ДНК. Поэтому в обратной задаче правильный ответ звучит как «один из возможных вариантов», и любой корректный набор кодонов засчитывается. График в калькуляторе сверху показывает эти числа синонимов по кодонам: столбик высотой 1 у метионина и высотой 6 у аргинина - это и есть наглядная вырожденность кода.

Из той же разбивки на триплеты выводятся стандартные расчёты. Число нуклеотидов кодирующей части равно утроенному числу аминокислот, $N = 3n$, а длина участка ДНК при расстоянии между нуклеотидами 0,34 нм равна $L = 3n \cdot 0{,}34$ нм. Для нашего фрагмента из 18 нуклеотидов получается $18 \cdot 0{,}34 = 6{,}12$ нм. Средняя молекулярная масса пептида оценивается как $110n$, то есть около 550 Да для пяти аминокислот.

Частые ошибки

• Ищут триплеты ДНК прямо в таблице. Таблица составлена для кодонов иРНК: буквы У в ДНК не бывает, а ТАЦ и АУГ - разные вещи. Сначала транскрипция, потом таблица.
• Путают матричную и кодирующую цепи. По кодирующей цепи достраивают ещё одну комплементарную РНК и получают белок, которого в условии нет. Признак ошибки: старт-кодон вышел УАЦ вместо АУГ.
• Игнорируют подписи 3' и 5'. Цепь, записанную 5'→3', читают слева направо как матричную, и рамка считывания разворачивается наоборот.
• Разбивают на триплеты не от старт-кодона. Если перед АУГ есть нетранслируемые нуклеотиды, разбивка «с самого начала строки» сдвигает рамку, и все аминокислоты после сдвига оказываются чужими.
• Переводят стоп-кодон в аминокислоту. УАА, УАГ и УГА аминокислот не кодируют, поэтому в ответе из шести триплетов остаётся пять аминокислот, а не шесть.
• Ищут кодон по третьему основанию как по строке. Порядок координат жёсткий: строка - первая буква, столбец - вторая, третья лишь уточняет ячейку. Перестановка даёт похожую, но другую аминокислоту.

FAQ

Почему в таблице стоит У, а не Т? Потому что таблица описывает кодоны иРНК, а в РНК вместо тимина урацил. Если в задаче просят выписать триплеты ДНК, их получают обратной заменой У на Т уже после чтения таблицы.

Что делать, если в условии дана кодирующая цепь? Ничего не достраивать: заменить Т на У и читать полученную последовательность как иРНК. Кодирующая цепь по составу и есть будущая иРНК, отличие только в одном азотистом основании.

Сколько аминокислот закодировано в 18 нуклеотидах? Не больше шести: $18 : 3 = 6$ кодонов. Но если один из них стоп-кодон, аминокислот будет пять, как в нашем примере. Считать нужно по смысловым кодонам, а не по всей длине фрагмента.

Годится ли таблица для митохондрий и всех организмов? Код почти универсален: от бактерии до человека одни и те же кодоны означают одни и те же аминокислоты. Исключения есть у митохондрий и некоторых простейших, где отдельные стоп-кодоны читаются как аминокислоты, но в школьных и вузовских задачах используют стандартную таблицу.

Коротко

1. Определить, какая цепь дана: матричная (иРНК комплементарна ей) или кодирующая (иРНК совпадает с ней, Т меняется на У).
2. Достроить иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г. Для условия 3'-ТАЦ ЦГА ГЦТ ААА ЦГГ АТЦ-5' получается 5'-АУГ ГЦУ ЦГА УУУ ГЦЦ УАГ-3'.
3. Разбить иРНК на триплеты от старт-кодона АУГ, не перекрывая их и не пропуская нуклеотидов: шесть кодонов.
4. Прочитать каждый кодон по трём координатам таблицы: строка по первой букве, столбец по второй, третья уточняет ячейку.
5. Остановиться на стоп-кодоне УАГ. Ответ: Мет-Ала-Арг-Фен-Ала, пять аминокислот, длина участка ДНК 6,12 нм.