Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК на ЕГЭ по биологии, как не потерять баллы

Отец одиннадцатиклассницы принес с рынка молоки лосося, собирался пожарить их к ужину. Дочь, которая весь вечер просидела над задачами про нуклеотиды, посмотрела на тарелку и сказала, что именно из такого сырья в Базеле полтора века назад выделяли нуклеин, вещество, которое потом назвали ДНК. Отец не поверил и полез проверять. Дочь была права, а история того, как люди узнавали устройство ДНК и РНК, почти совпадает с тем, что потом спрашивают на экзамене.

1869 год, гной на бинтах

Швейцарский врач Фридрих Мишер осенью 1868 года начал изучать белые кровяные клетки в лаборатории, устроенной в старом замке Тюбингена. Сырье он брал в местной больнице: собирал использованные повязки и вымывал из гноя лейкоциты. Белки клеток он разрушал пепсином, который сам получал из свиных желудков, и в начале 1869 года нашел в ядрах вещество, не похожее ни на один белок. В нем было много фосфора. Мишер назвал его нуклеином, от латинского слова «ядро».

Руководитель лаборатории Феликс Хоппе-Зайлер сначала не поверил и проверял опыты сам, поэтому статья вышла только в 1871 году. К тому времени Мишер вернулся в Базель и перешел на другое сырье. Рейнский лосось шел на нерест с огромными молоками, а в сперматозоиде почти нет ничего, кроме ядра. Препарат с подписью Мишера «нуклеин из спермы лосося» до сих пор хранится в музее Тюбингенского университета.

1909 и 1929 годы, два сахара

Из чего состоит нуклеин, разбирали следующие полвека. В Германии Альбрехт Коссель с учениками дробил вещество Мишера на составные части и добрался до азотистых оснований, аденина, гуанина, цитозина и тимина, и Нобелевская премия 1910 года досталась ему не в последнюю очередь за это. Сахар искали в Нью-Йорке. Фебус Левин в 1909 году узнал в одной из нуклеиновых кислот рибозу, а двадцать лет спустя, в 1929-м, в другой кислоте нашлась родственница рибозы, у которой одного атома кислорода недоставало, ее назвали дезоксирибозой. Так появились две буквы в начале названий, Р и Д.

Левин же дал нуклеиновым кислотам долгую репутацию скучных молекул. По его тетрануклеотидной гипотезе четыре нуклеотида повторялись в цепи одной и той же четверкой, как обои с однообразным рисунком. Записать в таком веществе наследственную информацию нельзя, и несколько десятилетий носителями наследственности считали белки, у которых двадцать разных аминокислот.

1944 год, пневмококки

Перелом начался с бактерий. В 1928 году англичанин Фредерик Гриффит заметил, что безвредные пневмококки, смешанные с убитыми нагреванием болезнетворными, сами становятся болезнетворными и передают это свойство потомкам. Что именно переходит от мертвых клеток к живым, выяснили в Рокфеллеровском институте Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти. В 1944 году они показали, что превращению не мешают ни ферменты, разрушающие белки, ни разрушающие РНК, а фермент, разрушающий ДНК, его останавливает. Наследственным веществом бактерии была ДНК.

1950 год, проценты Чаргаффа

Биохимик Эрвин Чаргафф из Колумбийского университета в те же годы взялся просто взвесить основания в ДНК разных организмов. В 1950 году он опубликовал таблицы, и в них развалилась тетрануклеотидная гипотеза: доли оснований у разных видов разные. Зато внутри каждого вида держалась странная закономерность. Человеческая ДНК в его счете давала 30,9 процента аденина при 29,4 тимина и 19,9 гуанина при 19,8 цитозина. Кишечная палочка выглядела иначе, у нее аденина набралось 24,7, гуанина 26,0, и все равно аденин шел вровень с тимином, гуанин вровень с цитозином. Объяснить, почему так, Чаргафф не смог.

1952 и 1953 годы, снимок и модель

В мае 1952 года в лондонском Королевском колледже аспирант Рэймонд Гослинг под руководством Розалинд Франклин получил рентгенограмму волокна ДНК, которая вошла в историю как «фото 51». Крест из темных пятен на ней означал спираль. В начале 1953 года снимок показали Джеймсу Уотсону, и вместе с Фрэнсисом Криком в Кембридже он сложил из него и таблиц Чаргаффа модель. Их статья размером около страницы вышла в британском журнале «Нейчер» 25 апреля 1953 года.

В модели две цепи закручены одна вокруг другой и направлены в противоположные стороны. Аденин одной цепи всегда стоит напротив тимина другой, гуанин напротив цитозина, и проценты Чаргаффа сразу стали понятны. Между аденином и тимином две водородные связи, между гуанином и цитозином три. Диаметр спирали около 2 нанометров, на один виток приходится 10 пар нуклеотидов. Зная одну цепь, вторую можно выписать без ошибки, и уже отсюда было видно, как молекула способна сама себя копировать. Премию за двойную спираль Нобелевский комитет присудил в 1962 году троим, Уотсону, Крику и Морису Уилкинсу. Розалинд Франклин этого не застала, в 1958 году ее не стало, ей было 37.

1958 год, тяжелый азот

Как именно идет копирование, проверили Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь в Калифорнийском технологическом институте. Кишечные палочки много поколений росли на среде с тяжелым изотопом азота, потом их перенесли на обычный азот. ДНК, выделенную после каждого деления, крутили в центрифуге в растворе хлорида цезия, где тяжелые молекулы оседают ниже легких. После первого деления вся ДНК была промежуточной по плотности, после второго половина промежуточной и половина легкой. Значит, каждая новая молекула ДНК состоит из одной старой цепи и одной новой. Такую репликацию назвали полуконсервативной.

1961 и 1965 годы, код и транспортная РНК

Оставалось понять, как последовательность нуклеотидов превращается в белок. В мае 1961 года в Национальных институтах здравоохранения США Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи добавили в бесклеточную смесь искусственную РНК из одних урацилов. Смесь собрала белок из одного фенилаланина, и первое слово кода было прочитано: триплет УУУ кодирует фенилаланин. За следующие годы прочитали все 64 триплета. В 1965 году группа Роберта Холли впервые расшифровала целиком последовательность транспортной РНК, она переносит аланин и состоит из 77 нуклеотидов. В 1968 году Ниренберг, Холли и Хар Гобинд Корана получили Нобелевскую премию.

Что спрашивают на ЕГЭ

ЕГЭ по биологии 2027 года по проекту ФИПИ состоит из 28 заданий, на работу отводится 235 минут, максимум 57 первичных баллов. Нуклеиновые кислоты проверяют в трех местах. Задание 3 базового уровня за 1 балл по плану относится к генетической информации в клетке и расчетным задачам, и в нем часто считают проценты нуклеотидов. Задания с 5 по 8, «клетка как биологическая система», стоят от 1 до 2 баллов и спрашивают строение и функции молекул. Задание 27 высокого уровня за 3 балла дает задачи по цитологии, в том числе на биосинтез белка.

Расчет в задании 3 повторяет логику Чаргаффа. Допустим, условие сообщает про двойную спираль с 20 процентами гуанина. Столько же приходится на цитозин, вместе 40, и оставшиеся 60 процентов аденин и тимин делят поровну, по 30. Вторая частая формулировка дает длину цепи, например 600 нуклеотидов, и спрашивает про белок. Каждую аминокислоту шифруют три нуклеотида, так что аминокислот в таком белке не больше 200.

В задаче 27 баллы легко потерять на мелочах, когда одну молекулу принимают за другую. В ДНК сахар дезоксирибоза и основание тимин, в РНК рибоза и урацил. Кодоны записаны на информационной РНК, и таблицу генетического кода читают по ним, а антикодоны стоят на транспортной РНК и комплементарны кодонам. Цепи в ДНК антипараллельны, поэтому вторую цепь выписывают с учетом направления. И последнее: ДНК и РНК обе состоят из нуклеотидов, но у РНК в клетке обычно одна цепь, у ДНК две.

Ход типовой задачи 27 короткий. Допустим, на матричной цепи ДНК записан фрагмент ТАЦ ЦГТ. По комплементарности иРНК получается АУГ ГЦА, тимин в ней заменен урацилом, а цепь выписана с учетом направления. Кодоны иРНК читают по таблице генетического кода: АУГ кодирует метионин, ГЦА аланин. Антикодоны тРНК комплементарны кодонам, это УАЦ и ЦГУ. Каждое из этих действий в ответе записывают отдельно и с пояснением, по какой молекуле оно сделано.

Порог Рособрнадзора, при котором экзамен по биологии считается сданным, 36 тестовых баллов, а для поступления в вузы, подведомственные Минобрнауки, нужно не меньше 40. Заявление на ЕГЭ подают до 1 февраля включительно.

Как готовиться

На тему уходит неделя. В первые два вечера ученик рисует от руки два нуклеотида, ДНК и РНК, и подписывает различия: сахар, основание, число цепей. Третий вечер отдается задачам на проценты и количество нуклеотидов из задания 3, по десятку за раз. Четвертый и пятый уходят на задачи 27 по биосинтезу белка с таблицей генетического кода, и после каждой ребенок проверяет, по какой молекуле он читал кодоны. В конце недели стоит еще раз решить три задачи подряд на время.

Для родительского чата хватит одной фразы. Нуклеиновые кислоты на ЕГЭ по биологии проверяют задания 3 и 27, и ошибку там легко допустить, если записать урацил в ДНК или прочитать таблицу кода по цепи ДНК вместо иРНК.

Понять, где ваш выпускник теряет баллы в молекулярной биологии, можно на бесплатной консультации с методистом на classicum.ru. Курс по биологии идет онлайн в малых группах.

Частые вопросы про ДНК и РНК на ЕГЭ