1.1. Понятие генетической информации. Что такое наследственная информация.

Содержание

Посмотрите на текст стенограммы на рисунке 1.2. Он гласит следующее: «Все люди в мире умеют говорить. Даже самые примитивные расы имеют свой язык. Язык — универсальный и самый человечный из всех языков.

Что такое наследственная информация

Генетика — это изучение наследственности и разнообразия — типа генетической информации, которую мы получаем от наших родителей и передаем нашим детям. Носителями этой информации являются гены.

Определенные характеристики фенотипа можно определить, просто взглянув на человека. Например, цвет волос и глаз. Другие признаки фенотипа можно определить только с помощью лабораторных анализов, например, группу крови.

Информация обо всех особенностях вашего организма содержится в ваших генах, начиная от вашего роста и цвета кожи и заканчивая генетическими заболеваниями и предрасположенностью к определенным видам рака.

Что такое гены

Все ваши гены содержатся в ядре ваших клеток — ядре каждого из ваших органов и тканей. Гены — это отдельные фрагменты информации, хранящиеся на хромосомах.

Микроскопическое увеличение	Наблюдаемый объект	Описание
	Клеточное ядро	Содержит хромосомы. Ядро человеческой клетки содержит 23 пары хромосом.
	Одиночная хромосома	Состоит из очень длинной полимерной молекулы ДНК.
	Джин	Отдельный фрагмент ДНК, содержащий интегральную информацию о конкретном наследственном признаке.
	Нуклеотид	Тип информационного байта. Последовательности, которыми связаны пары нуклеотидов в молекулах ДНК всех хромосом, определяют полный набор наследственных характеристик индивидуума — геном человека.

Для удобства можно представить себе, что хромосома — это книга, а ген — одна из глав этой книги. Ген состоит из набора попарно соединенных в спиральной молекуле ДНК нуклеотидов. Продолжим аналогию с библиотекой, и все станет гораздо

Ядро клетки с 23 парами хромосом — библиотека под названием «Всё об этом человеке».
Хромосома — книга из библиотеки.
ДНК — весь текст этой книги.
Ген — одельная глава книги. Например, глава «Все о цвете глаз этого человека».
Нуклеотид — отдельная буква. Их в «генетическом» алфавите человека всего 5, в отличие от русского алфавита, где букв 33.

Недавно стало возможным полностью расшифровать генетический код каждого человека, то есть узнать наследственную информацию, содержащуюся во всех книгах его личной «библиотеки». Некоторые главы этих книг могут содержать тревожную информацию.

Например, информация о наличии рака или наследственных заболеваний, которые человек неизбежно передаст своим детям. Или информация о повышенной вероятности развития муковисцидоза, болезни Альцгеймера и множества других синдромов.

Любой человек может пройти полное секвенирование для определения наличия у него генетических заболеваний.

Процесс самоудвоения

В конце 1950-х годов предполагалось, что с помощью фермента ДНК-полимеразы каждая усеченная нить комплементарно перестраивается в новую дочернюю двойную нить ДНК по мере того, как вилка репликации перемещается от одного конца к другому. Однако дальнейшие исследования показали, что процесс репликации не так прост, поскольку две цепи в молекуле ДНК антипараллельны, и ДНК-полимераза продвигает сборку биополимера только в направлении от 5′-конца к 3′-концу. Тогда можно ожидать, что рост дочерних молекул вдоль одной цепи будет происходить в направлении от 5′-акр к З′-акр, а не в направлении 3′ → 5′. Следовательно, самооплодотворение молекулы не может происходить таким образом, как предполагалось в 1960-х годах. Способ образования дочерней молекулы на антипараллельной цепи ДНК не был определен до начала 1970-х годов.

Было установлено, что если в полимерной цепи молекулы ДНК образование дочерней спирали (в направлении 5′ → 3′) продолжается непрерывно и постепенно удлиняется за счет добавления нуклеотидов к Z’ цепи, то вторая дочерняя молекула в антипараллельной материнской цепи также будет продвигаться в направлении 5′ → 3′, но прерывистым образом и со значительной задержкой по отношению к первой. Поэтому первая непрерывно образующаяся цепь называется ведущей или лидирующей, а вторая — отстающей или запаздывающей.

Бифуркация репликации и образование дочерних молекул ДНК.

Из-за антипараллельности молекул ДНК результирующая бифуркация репликации является асимметричной. Из двух синтезированных дочерних цепей одна (верхняя) образуется непрерывно и довольно быстро в направлении 5′ → 3′. Другая прерывистая и состоит из небольших фрагментов (фрагменты Оказаки), которые также выстраиваются в направлении 5′ → 3′, хотя вся цепь выстраивается в матрице от Z′ до 5′ конца. Фрагментарный способ удвоения молекул занимает больше времени, поэтому этот процесс отстает от первого удвоения цепи.

Многие ДНК-полимеразы были выделены из живых клеток и получили различные названия в разных лабораториях.

После того как в 1958 году Артур Корнберг открыл в кишечной палочке фермент ДНК-полимеразу I, который катализирует биосинтез ДНК, в течение почти десяти лет считалось, что этот фермент является единственной полимеразой, участвующей в репликации ДНК in vitro. Однако позже стало очевидно, что в репликации ДНК должны участвовать несколько ферментов. ДНК-полимераза I не способна инициировать синтез цепей ДНК. Одним из хорошо изученных ферментов, участвующих в инициации репликации ДНК, является специфическая клеточная РНК-полимераза, называемая праймазой, которая катализирует синтез первого небольшого олигорибонуклеотида (от 10 до 60 нуклеотидов), праймера, с которого затем начинается синтез ДНК.

Наиболее важным ферментом, катализирующим биосинтез новообразованной ДНК (основной части и хвоста), является ДНК-полимераза III, представляющая собой комплекс из самой ДНК-полимеразы (молекулярная масса около 900 000) и некоторых других белков.

Этапы биосинтеза ДНК

Основываясь в основном на данных, полученных в экспериментах in vitro, считается, что механизм синтеза ДНК можно условно разделить на три фазы: Инициация, т.е. начало, Элонгация, продолжение и Терминация, прекращение (остановка) синтеза. Каждая из этих фаз требует участия специфических ферментов и белковых факторов.

Шаг I — инициация биосинтеза ДНК — это начало синтеза дочерних нуклеотидных цепей. В инициации участвуют по меньшей мере восемь хорошо изученных ферментов и белков. Инициация — единственный этап репликации ДНК, который регулируется очень подробно и точно, но его детальные механизмы еще не открыты и находятся в стадии интенсивного изучения.

Стадия II — продолжение синтеза ДНК — включает два внешне идентичных, но совершенно разных механизма синтеза верхней и нижней цепи в обеих материнских цепях ДНК. Синтез лидерной цепи начинается с синтеза праймера (при участии праймазы) на сайте начала репликации, а затем дезоксирибонуклеотиды связываются с праймером под действием ДНК-полимеразы III. После этапа разветвления синтез продолжается непрерывно. В отличие от этого, синтез отстающей цепи протекает в направлении, противоположном вилке репликации, и происходит во фрагментах. Каждый фрагмент синтезируется отдельно, начиная с синтеза праймера, который может переноситься одним из белков репликации от готового фрагмента к месту начала биосинтеза следующего фрагмента в направлении, противоположном синтезу дочерней цепи (подобно шитью иглой в обратном направлении). В этот момент происходит сборка фрагментов ДНК-полимеразой, но в направлении 5′ → 3′ (противоположном). Элонгация завершается заполнением (достраиванием) пробелов (вакуолей) комплементарными дезоксирибонуклеотидами под действием той же праймазы, и образовавшиеся небольшие сегменты ДНК (названные сегментами Оказаки в честь ученого, открывшего это явление) соединяются с помощью ДНК-лигаз, образуя дочернюю цепь ДНК.

Схема сборки фрагментов ДНК: 1 — антипараллельная цепь ДНК (матрица); 2 — фермент праймаза rnA обеспечивает начало сборки нового фрагмента; 3 — фрагмент собран полимеразой ДНК; 4 — переход праймазы на новый фрагмент синтеза; 5 — начало синтеза дочерней ДНК.

Стадия III — прекращение синтеза ДНК — скорее всего, происходит, когда матрица ДНК истощается и прекращаются транспортные реакции (реакции переноса). Точность репликации ДНК чрезвычайно высока; вероятна одна ошибка на 1010 реакций трансферазы, но эта ошибка обычно легко исправляется с помощью процедур репарации (восстановления).

Функцию раскручивания (распутывания) двойной спирали ДНК в вилке репликации, которая осуществляется за счет энергии гидролиза АТФ, выполняет специфический белок, называемый хеликаза (молекулярная масса 300 000). Одноцепочечные участки ДНК, образующиеся в течение определенного времени, служат матрицей во время репликации и стабилизируются специфическими белками, которые связываются с одноцепочечной ДНК (ДНК-связывающие белки) и предотвращают обратное комплементарное взаимодействие цепей ДНК (молекулярная масса 75 600). По этой причине их иногда называют дестабилизирующими белками.

Дестабилизирующие белки (1) и фермент ДНК-геликаза (2) обеспечивают деградацию цепи ДНК в вилке репликации.

Мы представили лишь схематическое описание процесса репликации ДНК. Это очень сложный процесс, включающий множество специальных белков и различных ферментов, которые помогают распутать ДНК и предотвратить ее спутывание и перекручивание, а также обеспечивают соединение сегментов ДНК в единую двойную спираль.

Генетический код

Хотя большинство биологов думали о генах как о белках, это было относительно просто. Белок, как мы знаем, представляет собой линейную цепочку аминокислот, которые могут обмениваться в любом порядке. Двадцать аминокислот — число, вполне сравнимое с количеством букв в древнем алфавите, например, греческом или финикийском. Такая система кодирования позволяет хранить информацию не хуже, чем в обычной книге. Получается, что «белок — это как длинное предложение, написанное двадцатью буквами.

Следует отметить, однако, что до открытия большой двойной спирали почти никто из биологов не думал в этом направлении. Им было непросто перейти с привычного «аналогового» языка традиционной биологии на «цифровой» язык новой биологии, изучающей информационные процессы. Многие ученые, даже очень важные, которые профессионально утвердились до 1953 года, так и не добились успеха. Идея записи генетической информации в цифровом формате была интегрирована в биологию с поразительной трудностью, несмотря на то, что со времени работы Менделя прошло почти 100 лет. Можно предположить, что эта идея противоречила фундаментальному образу мышления большинства людей, решивших стать биологами.

В любом случае, после открытия генетической роли ДНК все стало намного сложнее. Оказалось, что «база данных», в которой хранились белковые последовательности, была не белком, специально приспособленным для хранения информации (как можно было бы предположить), а совершенно другим полимером, химически сильно отличающимся от белков, содержащим только четыре типа мономеров вместо 20. Так возникла проблема перекодировки, или, говоря другими словами, проблема генетического кода.

Здесь необходимо пояснение. В интернете и в журналистике преобладает мнение, что генетический код — это то же самое, что и генетическая информация. Это совершенно неверно. Код — это не сама информация, а словарь, с помощью которого ее можно прочитать. Точнее, генетический код — это способ перевода текстов, написанных двумя разными алфавитами — нуклеотидным и аминокислотным. Разновидность ключа шифрования. Последнее даже не метафора: первые теоретики, писавшие о генетическом коде, сразу же предложили использовать для его расшифровки математический механизм шифрования, поскольку эта наука была в совершенстве разработана после Второй мировой войны.

Так чего же мы можем ожидать от генетического кода? Ученые, которые первыми занялись этим вопросом сразу после открытия двойной спирали ДНК, пришли к следующим выводам:

аминокислот в составе белков 20, а разновидностей нуклеотидов в ДНК всего четыре. Значит, каждая аминокислота должна кодироваться не одним нуклеотидом, а неким их сочетанием. Примерно так, например, вводятся с помощью клавиш китайские и японские иероглифы;
отличающихся друг от друга двоек нуклеотидов (дублетов) может существовать максимум 16. Для кодирования всех аминокислот этого не хватит. Значит, генетический код должен быть как минимум триплетным;
отличающихся друг от друга троек нуклеотидов (триплетов) может существовать максимум 64. То есть их намного больше, чем аминокислот. Значит, каждая аминокислота, скорее всего, кодируется не одним триплетом, а несколькими разными. Таким образом, надо ожидать, что генетический код — избыточный (иногда это называют заимствованным из квантовой физики термином «вырожденный»).

Типы наследования

В наследственности существуют следующие типы.

Аутосомное :
1. доминантное;
2. рецессивное;
1. по Х-хромосоме (доминантное и рецессивное);
2. по Y-хромосоме (голандрическое);
В таблице ниже приведено краткое описание каждого типа.
1. 1) признак проявляется часто в каждом поколении;
2. 2) признак бывает у детей, у которых хотя бы один родитель имеет изучаемый признак.
1. 1) признак проявляется редко и не в каждом поколении;
2. 2) если признак имеется у обоих родителей, он передаётся всему потомству;
3. 3) признак может встретиться у детей, чьи родители этот признак не имеют.
1. 1) признак проявляется часто в каждом поколении;
2. 2) признак бывает у детей, у которых хотя бы один родитель имеет этот признак;
3. 3) признак присущ обоим полам, но самок с данным признаком больше примерно в 2 раза;
4. 4) если признаком обладает самец, у его дочерей он тоже будет, а у сыновей – нет.
1. 1) признак проявляется редко и не в каждом поколении;
2. 2) признак чаще встречается у самцов, при этом у их отцов он в большинстве случаев отсутствует, но присутствует у дедов по материнской линии;
3. 3) у самок признак бывает только при наличии такового у отца.
1. 1) признак проявляется только у самцов;
2. 2) признак передается по мужской линии (от отца к сыну и т.д.).
Хромосомная теория наследственности

Эта теория была сформулирована американским генетиком Т. Морганом в начале XX века на основе экспериментов с уже упомянутой мухой дрозофилой и отражает следующие закономерности наследования.
1. Главные носители наследственности – это хромосомы с заключёнными в ней участками ДНК (генами).
2. В хромосоме гены располагаются линейно в определённом месте (локусе).
3. Соседние гены в хромосоме сцеплены в одну группу и почти всегда наследуются вместе.
4. Количество сцепленных групп у гомозиготных особей (имеющих одинаковые аллели гена) равняется гаплоидному набору хромосом (n), у гетерозиготных особей (имеющих обе аллели – доминантную и рецессивную) этот показатель равен n+1.
5. Между гомологичными хромосомами может произойти обмен аллельными генами (кроссинговер), что приводит к возникновению гамет с новыми комбинациями генов. Периодичность кроссинговера пропорциональна расстоянию между генами.
На основе взаимного расположения генов на хромосомах и частоты скрещиваний ученые создают генетические карты (карты связей), которые можно использовать для выявления и устранения «плохих» (поврежденных) генов, ответственных за наследственные заболевания и расстройства (например, мышечную дистрофию).

Почему возникают мутации генов

Генная мутация — это изменение небольшого участка ДНК в пределах одного гена, которое может передаваться потомству. Изменения в более крупном участке ДНК называются хромосомными мутациями. Существуют также геномные мутации — изменения, затрагивающие целые хромосомы в геноме. У людей геномные мутации обычно приводят к тяжелым наследственным заболеваниям, таким как синдром Шерешевского-Тернера, который характеризуется физическим, умственным и половым недоразвитием у носителей мутации.

Однако последствия генетических мутаций различны: некоторые из них связаны с генетическими признаками или заболеваниями, такими как дальтонизм или гемофилия. Другие мутации наделяют своих носителей способностями, которые приносят пользу всем людям: Люди с мутацией в гене hDEC2, например, чувствуют себя отдохнувшими уже после четырех часов сна.

Редкая мутация дистихиаза произошла у американской актрисы Элизабет Тейлор. У нее был дополнительный ряд ресниц за обычно растущими ресницами, что делало ее глаза очень выразительными. Эта аномалия довольно редко встречается у людей, но часто — у собак. (Фото: Pinterest.com)

Что такое мутагенные факторы

Факторы, способствующие возникновению мутаций, называются мутагенами. К таким факторам относится радиация: Повреждение ДНК происходит в облученных клетках. Еще в 1927 году американский генетик и впоследствии лауреат Нобелевской премии Герман Меллер продемонстрировал, что облучение рентгеновскими лучами приводит к значительному увеличению частоты мутаций у мухи-дрозофилы.

Вирусы как биологические агенты также вызывают мутации — около 8 % ДНК человека состоит из фрагментов старых вирусов. Эти фрагменты были включены в геном в древние времена, когда человечество переживало пандемии. Некоторые недавние исследования подтверждают, что фрагменты коронавируса COVID-19 также могут быть вставлены в геном человека.

Существуют также химические вещества, вызывающие мутации в ДНК, например, бензол, который является компонентом нефти и бензина. Если человек вдохнет пары бензола, он может умереть. Даже в небольших количествах бензол может вызывать мутации, которые приводят к раку.

Мутации являются необходимым условием разнообразия жизни на нашей планете. Без них живые существа не смогли бы адаптироваться к постоянно меняющимся условиям своего существования. Но есть и недостаток: последствия мутаций для отдельного организма могут быть фатальными. Хорошей новостью является то, что лишь небольшой процент генетических изменений вызывает врожденные дефекты. Большинство мутаций не оказывают никакого влияния на развитие или здоровье человека.

Зачем изучать свои гены

Генетическое тестирование — это метод выявления мутаций в генах. Генетические тесты различаются по технологии: например, полимеразная цепная реакция тестирует ряд определенных фрагментов ДНК, а секвенирование следующего поколения (NGS) позволяет считывать большинство частей всего генома человека сразу. Генетик знает преимущества и недостатки каждого метода и советует пациенту наиболее подходящий для его проблемы метод.

Человек подает заявление на генетическое тестирование для того, чтобы:
- диагностировать заболевание, тип заболевания, а иногда найти причину и варианты лечения — например, при определенных видах онкологии генетическое тестирование очень важно;
- определить риск заболеть определенным заболеваниям;
- измерить риск передачи заболевания потомкам;
- определить непереносимость каких-то лекарств;
- обследовать эмбрион или плод на предмет генетических мутаций.
Примерно один из 200 человек имеет мутацию в генах BRCA1 или BRCA2. Помимо прочего, эти мутации повышают риск развития рака груди, от которого умерла мать Анджелины Джоли. Сама актриса прошла генетическое тестирование, которое показало, что вероятность развития рака груди в течение жизни у нее составляет 87%, а вероятность развития рака яичников — 50%. Чтобы минимизировать риски, Анджелина Джоли в 2013 году перенесла профилактическую двустороннюю мастэктомию и реконструкцию груди. (Фото: Akns-images.eonline.com)

Генетическое тестирование проводится как государственными, так и крупными частными лабораториями, и спрос на него растет с каждым годом. Константин Хоманов объясняет, что генетическое тестирование часто проводится по направлению врача-генетика для постановки правильного диагноза у детей, а иногда и у взрослых. Анализы дают врачу и пациенту информацию для индивидуального лечения — для правильного планирования беременности или для начала лечения ребенка до развития патологии. Например, лечение самым дорогим в мире препаратом Золгесма, который заменяет отсутствующий или неправильно функционирующий ген его функциональной копией, должно быть проведено до достижения ребенком двухлетнего возраста. Если диагноз поставлен слишком поздно, в приеме препарата может быть отказано.

Вероятно, самыми «известными» генетическими тестами являются тесты на родство ДНК. Они могут использоваться не только для определения отцовства или материнства, но и для определения степени родства между людьми в целом. Кроме того, генетические тесты — так называемые неинвазивные пренатальные тесты (НИПТ) — популярны для выявления генетических заболеваний до зачатия или на ранних стадиях беременности.

Генетическое тестирование также помогает определить этническую принадлежность человека. Этническую принадлежность человека нельзя определить по ДНК, поскольку она определяется не генетикой, а самоидентификацией. Но можно определить, сколько различных национальностей сформировали геном. Тесты могут быть использованы для определения склонности к алкогольной и другим зависимостям и даже суицидальному поведению.

История технических способов кодирования информации

С появлением технических средств хранения и передачи информации возникли новые идеи и методы кодирования. Первым техническим средством передачи информации на большие расстояния был телеграф, изобретенный американцем Сэмюэлем Морзе в 1837 году. Телеграфное сообщение — это последовательность электрических сигналов, передаваемых по проводам от одного телеграфного аппарата к другому телеграфному аппарату. Эти технические условия дали Морзе идею использовать только два типа сигналов, короткий и длинный, для шифрования сообщения, передаваемого по телеграфным проводам.

Этот метод шифрования был назван азбукой Морзе. Каждая буква алфавита кодируется последовательностью коротких сигналов (точек) и длинных сигналов (тире). Буквы разделены паузами, т.е. нет символов.

В таблице на рисунке 1.3 показана азбука Морзе в применении к русскому алфавиту. Специальных знаков препинания не существует. Обычно они пишутся со словами: «тчк» — знак, «зпт» — запятая и т.д.

Самым известным телеграфным сообщением является сигнал бедствия SOS (Save Our Souls), который представлен в виде азбуки Морзе:

Три точки обозначают букву S, три тире — букву O. Две тире разделяют буквы.

Характерной особенностью азбуки Морзе является переменная длина кода различных букв, поэтому азбуку Морзе также называют нерегулярным кодом. Буквы, которые встречаются в тексте чаще всего, имеют более короткий код, чем буквы, встречающиеся реже. Например, код буквы «E» состоит из одной точки, а код буквы «K» — из шести символов. Почему? Чтобы сократить длину всего сообщения. Однако из-за переменной длины буквенного кода возникает проблема разделения букв в тексте. Поэтому мы должны отделить их с помощью скипа. Азбука Морзе является трехбуквенным алфавитом, поскольку в ней используются три символа: точка, тире и пробел.

Единый телеграфный код был изобретен в конце 19 века французом Жаном-Морисом Бодо. Использовались только два типа символов. Неважно, как вы их произносите: точка и тире, плюс и минус, ноль и единица.

Это два разных электрических сигнала.

В коде Бодо длина кода одинакова для всех символов алфавита и равна пяти. В этом случае нет проблем с разделением букв: Каждый из пяти сигналов является точкой в тексте.

Код Бодо — первый метод двоичного кодирования в истории техники. Идея Бодо позволила автоматизировать передачу и печать писем. Была разработана телеграфная клавиатура. Нажатие клавиши с определенной буквой генерировало соответствующий пятиимпульсный сигнал, который передавался по линии связи. Под воздействием этого сигнала принимающее устройство напечатало ту же букву на бумажной ленте.

Из курса основ информатики вы знаете, что современные компьютеры также используют единый двоичный код для кодирования текста. Позже мы рассмотрим проблемы кодирования информации в компьютерах и передачи данных по сетям.

Криптография Цезаря. В этом шифре текст преобразуется следующим образом: Каждая буква оригинального текста заменяется следующей буквой алфавита, предполагая, что он написан по кругу. Используя шифр Цезаря, зашифруйте следующие предложения: a) Дела идут как обычно. b) С Новым годом. в) Сентябрьский день дурака.

Расшифруйте следующие предложения с помощью шифра Цезаря: a. Lmbttock shbt b. Вемпё тпмоче рфтуьы.

Шифр Виженера — это шифр Цезаря с переменным значением смещения. Значение смещения указывается ключевым словом. Например, ключевое слово WAZA означает следующую последовательность смещений букв в исходном коде: 3 1 9 1 3 1 9 1 и т.д. Используйте ключевое слово WINTER для кодирования слов: ALGORITHMISATION, COMPUTER, INTERNET.

Задание 4

Слово LIVE получается с помощью шифра Виженера с ключевым словом BANK. Реконструируйте исходное слово.

Используйте текстовый процессор Excel для автоматизации процесса кодирования слов с помощью банка ключевых слов (при условии, что слова состоят только из латинских букв нижнего регистра и их длина не превышает 10 символов). Для этого используйте текстовые функции SIMOL и CODE SIMOL, при этом каждая буква хранится в своей ячейке. Значение смещения определяется автоматически (буквенный код ключевого слова минус буквенный код «a» плюс единица). Попробуйте закодировать слова алгебра, геометрия, английский язык с помощью вашей таблицы.