для чего нужен генетический код
Можем ли мы раскрыть генетический код?
Знаете ли вы, что абсолютно все живые организмы нашей планеты имеют одного общего предка? Данное утверждение стало реальностью после изучения генетического кода обитающих на Земле живых организмов. Именно благодаря успехам в области исследования генетического кода, человек смог изобрести такую невероятную технологию, как клонирование, повысил урожайность в сельском хозяйстве и дал начало развитию микробиологической промышленности. Однако можем ли мы раскрыть генетический код и что это вообще значит?
Генетический код может многое рассказать о живых организмах
Что такое генетический код?
Для того, чтобы понять, что такое генетический код, давайте попробуем представить себе какой-нибудь иностранный язык, грамматику и лексику которого мы не понимаем до тех пор, пока целенаправленно не приступим за его изучение. Однако если в реальном мире язык — это средство коммуникации людей, то генетический код представляет из себя язык, на котором написано руководство использования вашего организма. Мануал, так сказать.
Каждая буква в этом учебнике представляет из себя определенный нуклеотид — группу органических соединений. Слова, которые образуют нуклеотиды, называются кодонами, а устройство, которое способно перевести слова и превратить их во что-то связное и понятное, называется рибосомой. Все вместе это превращается в молекулу белка, каждая из которых содержит в себе 20 разных слов-аминокислот. Именно наличие 20 «магических» слов, каждое из которых состоит из трех букв, является ключевой характеристикой всех жизненных форм на нашей планете.
Именно из подобных структур разной формы и цвета состоит генетический код любого существа на планете
Как раскрыть генетический код?
Как вы могли уже догадаться из всего вышесказанного, генетический код всех живых существ на планете уже разгадан. Более того, детальное исследование генома того или иного человека в настоящее время может сделать любой желающий, в чьем кармане имеются лишние 100 долларов. Такое исследование может помочь выявить риски наследственных заболеваний, узнать свое этническое происхождение и даже найти дальних родственников. Наиболее известными компаниями, которые предлагают сделать лабораторный анализ вашего биологического материала, считаются National Geographic, My Heritage и Ancestry DNA. Расценки на исследование вашего личного генома могут варьироваться в зависимости от вида выбранного вами теста и страны, которая предоставит вам возможность пройти данный генетический эксперимент.
Кстати говоря, хотели бы вы сделать тест на определение этнической принадлежности? Может быть, вы уже обращались к услугам специалистов из данной области? Давайте попробуем обсудить эти вопросы в нашем Telegram-чате.
Так, ряд российских компаний предлагает тесты с расценками, начинающимися от 1200 рублей. С их помощью вы можете узнать об уровне рекомендуемой лично вам физической активности, подобрать оптимальную диету и даже узнать, сколько чашек кофе в день вы можете выпить без вреда для здоровья. Если же вам необходимо узнать что-то помасштабнее, то вам могут быть предложены тесты на определение вероятности появления у вас тех или иных заболеваний, а также вашей этнической принадлежности. Как уже говорилось ранее, прохождение данных тестов сильно варьируется в цене в зависимости от вашего места рождения. Так, если в США расценки начинаются от 100 долларов, то большинство компаний РФ предлагают пройти аналогичный тест с ценами в пределах 20-30 тысяч рублей.
Тест, направленный на исследование вашего генома, может найти ваших родственников из самых удаленных уголков планеты
Какие животные имеют необычный генетический код?
Как уже говорилось выше, генетический код всех живых существ на планете абсолютно одинаков с генетическим кодом человека.
Однако в любом правиле есть исключения. Так, некоторые простейшие, среди которых находится и всем известная со школьной скамьи инфузория-туфелька, выступают в качестве своеобразных нарушителей всех генетических правил и порядков. Митохондриальный генетический код этих простейших отличается от стандартного числом содержащихся в ней кодонов. Чем вызвано подобное явление пока достоверно неизвестно, однако считается, что подобное изменение структуры молекулы белка могло быть вызвано произошедшими в ней мутациями.
Если вам понравилась данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему каналу в Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезных статей из мира популярной науки и техники.
Гены, генетический код и его свойства
Содержание:
Генетический код – это информация в геноме, где закодированы строение и структура белковых молекул человеческого организма. Одна молекула ДНК является «носительницей знаний» о сотнях тысяч белков.
Структура белковой молекулы записана как на ленте кинопленке – на одном гене. Чтобы синтез белка прошел удачно, информация определенным образом считывается с молекулы ДНК. Благодаря этому синтезируются разные и похожие по структуре белковые макромолекулы.
Ген – это элементарная единица, предназначенная для хранения наследственной информации. Учеными-генетиками подсчитано количество наследственной информации, которая пока определяется 30 000 генов.
Все гены делятся на две большие категории:
Структура гена
Нить ДНК состоит из последовательно расположенных нуклеотидов, а цепочка белковой молекулы строится из аминокислот. Для синтеза белка нужно 20 аминокислот. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами ДНК (триплет).
К сведению: Для каждого организма генетический код является универсальной формулой, которая отличается только последовательностью нуклеотидов. В 1965 году ученые-генетики частично расшифровали структуру генетического кода. Был открыт 61 триплет, чтобы закодировать аминокислоты и 3 стоп-триплета, означающие окончание гена.
Общие черты генетического кода:
Свойства генетического кода
Генетический код строится из триплетов (тройки) нуклеотидов, расположенных в нескольких комбинациях. Каждый триплет кодирует конкретную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную белковую цепочку. Часть кодонов расшифрована и есть таблицы, в которых указана последовательность триплетов ДНК, необходимых для построения отдельных белковых молекул.
На заметку: Исключительность каждой личности – факт, установленный научно. Исключение составляют только однояйцевые близнецов. Комбинации генов в геноме постоянно меняются, поэтому невозможно рождение второго Баха, Менделеева, Пушкина или любого другого человека, который уже существовал на Земле.
Генетический код
Три пары оснований молекулы ДНК кодируют одну аминокислоту в белке.
Сегодня ни для кого не секрет, что программа жизнедеятельности всех живых организмов записана на молекуле ДНК. Проще всего представить молекулу ДНК в виде длинной лестницы. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Вся важная рабочая информация в молекуле записана на перекладинах лестницы — они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — азотистые основания — называются аденин, гуанин, тимин и цитозин, но обычно их обозначают просто буквами А, Г, Т и Ц. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа. Это связи между основаниями А и Т и между основаниями Г и Ц (образованную таким образом пару называют «парой оснований»). Других типов связи в молекуле ДНК быть не может.
Спускаясь по ступенькам вдоль одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Именно это сообщение в виде последовательности оснований и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма, обладающего данной ДНК. Согласно центральной догме молекулярной биологии, на молекуле ДНК закодирована информация о белках, которые, в свою очередь, выступая в роли ферментов (см. Катализаторы и ферменты), регулируют все химические реакции в живых организмах.
Строгое соответствие между последовательностью пар оснований в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот, составляющих белковые ферменты, называется генетическим кодом. Генетический код был расшифрован вскоре после открытия двуспиральной структуры ДНК. Было известно, что недавно открытая молекула информационной, или матричной РНК (иРНК, или мРНК), несет информацию, записанную на ДНК. Биохимики Маршалл Уоррен Ниренберг (Marshall W. Nirenberg) и Дж. Генрих Маттеи (J. Heinrich Matthaei) из Национального института здравоохранения в городке Бетезда под Вашингтоном, округ Колумбия, поставили первые эксперименты, которые привели к разгадке генетического кода.
Они начали с того, что синтезировали искусственные молекулы иРНК, состоявшие только из повторяющегося азотистого основания урацила (который является аналогом тимина, «Т», и образует связи только с аденином, «А», из молекулы ДНК). Они добавляли эти иРНК в тестовые пробирки со смесью аминокислот, причем в каждой пробирке лишь одна из аминокислот была помечена радиоактивной меткой. Исследователи обнаружили, что искусственно синтезированная ими иРНК инициировала образование белка лишь в одной пробирке, где находилась меченая аминокислота фенилаланин. Так они установили, что последовательность «—У—У—У—» на молекуле иРНК (и, следовательно, эквивалентную ей последовательность «—А—А—А—» на молекуле ДНК) кодирует белок, состоящий только из аминокислоты фенилаланина. Это было первым шагом к расшифровке генетического кода.
Сегодня известно, что три пары оснований молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон) кодируют одну аминокислоту в белке. Выполняя эксперименты, аналогичные описанному выше, генетики в конце концов расшифровали весь генетический код, в котором каждому из 64 возможных кодонов соответствует определенная аминокислота.
Что такое генетический код и как он работает?
Содержание:
Независимо от того, сколько морфологического разнообразия мы, живые существа, представляем, все мы объединены под одной крышей: нашей основной функциональной единицей является клетка. Если у живого существа есть клетка, на которой основана вся его морфологическая структура, она известна как одноклеточная (случай простейших или бактерий), тогда как те из нас, у кого их несколько (от нескольких сотен до сотен миллиардов), являются многоклеточными существами.
Таким образом, каждый организм начинается с клетки, и поэтому некоторые молекулярные объекты, такие как вирусы, не считаются строго «живыми» с биологической точки зрения. В свою очередь, исследования показали, что каждая клетка содержит колоссальные 42 миллиона белковых молекул. Поэтому неудивительно, что, по оценкам, 50% веса сухих живых тканей состоят исключительно из белков.
Почему мы предоставляем все эти, казалось бы, несвязанные данные? Сегодня мы приходим, чтобы разгадать секрет жизни: генетический код. Каким бы загадочным оно ни казалось на первый взгляд, мы заверяем вас, что вы сразу поймете эту концепцию. Речь идет о клетках, белках и ДНК. Останься, чтобы узнать.
Что такое генетический код?
Характеристики генетического кода были установлены в 1961 году Фрэнсисом Криком, Сиднеем Бреннером и другими сотрудниками молекулярных биологов. Этот термин основан на ряде предпосылок, но сначала мы должны уточнить некоторые термины, чтобы понять их. Действуй:
Основы генетического кода
Когда мы разберемся с этими основными терминами, пришло время изучить основные особенности генетического кода, установленные Криком и его коллегами. Это следующие:
Раскрытие генетического кода
У нас уже есть терминологическая база и теоретические основы. Пришло время применить их на практике. Прежде всего, мы вам скажем, что Каждый нуклеотид получает название на основе буквы, что обусловлено азотистым основанием, которое он представляет.. Азотистыми основаниями являются следующие: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G), тимин (T) и урацил (U). Аденин, цитозин и гуанин универсальны, тимин уникален для ДНК, а урацил уникален для РНК. Если вы видите это, как вы думаете, что это значит?:
Пора восстановить условия, описанные выше. CCT является частью цепи ДНК, то есть 3 разных нуклеотидов: один с основанием цитозина, другой с основанием цитозина и третий с основанием тимина. Во втором случае, выделенном жирным шрифтом, мы имеем дело с кодоном, поскольку это «тадуцидируемая» генетическая информация ДНК (отсюда урацил там, где раньше был тимин) в цепи РНК.
Таким образом, мы можем утверждать, что CCU является кодоном, который кодирует аминокислоту пролин. Как мы уже говорили, генетический код вырожден. Таким образом, аминокислота пролин также кодируется другими кодонами с другими нуклеотидами: CCC, CCA, CCG. Таким образом, аминокислота пролин кодируется всего 4 кодонами или триплетами.
Следует отметить, что для кодирования аминокислоты необходимы не 4 кодона, а то, что любой из них действителен. Обычно, незаменимые аминокислоты кодируются 2,3,4 или 6 различными кодонами, кроме метионина и триптофана которые отвечают только на один.
Почему так много сложностей?
Сделаем расчеты. Если бы каждый кодон кодировался только одним нуклеотидом, могли бы образоваться только 4 разные аминокислоты. Это сделало бы синтез белка невозможным, поскольку в целом каждый белок состоит примерно из 100-300 аминокислот. В генетический код входит всего 20 аминокислот.Но они могут быть расположены по-разному на «конвейере», давая начало различным белкам, присутствующим в наших тканях.
С другой стороны, если бы каждый кодон состоял из двух нуклеотидов, общее количество возможных «диплетов» было бы 16. Мы все еще далеки от цели. Теперь, если бы каждый кодон состоял из трех нуклеотидов (как и в случае), количество возможных перестановок увеличилось бы до 64. Принимая во внимание, что существует 20 незаменимых аминокислот, с 64 кодонами это дает для кодирования каждой из них и, кроме того, предлагать разные варианты в каждом случае.
Прикладной вид
Нам не хватает места, но действительно сложно сконцентрировать столько информации в нескольких строках. Следуйте за нами на следующей диаграмме, потому что мы обещаем вам, что закрыть весь этот терминологический конгломерат намного проще, чем кажется:
CCT (ДНК) → CCU (РНК) → пролин (рибосома)
Эта небольшая диаграмма выражает следующее: клеточная ДНК содержит 3 нуклеотида CCT, но она не может «выражать» генетическую информацию, поскольку изолирована от клеточного аппарата в своем ядре.. По этой причине фермент РНК-полимераза отвечает за ТРАНСКРИБИРОВАНИЕ (процесс, известный как транскрипция) нуклеотидов ДНК в нуклеотиды РНК, которые образуют информационную РНК.
Теперь у нас есть кодон CCU в информационной РНК, который будет перемещаться из ядра через поры в цитозоль, где расположены рибосомы. Подводя итог, можно сказать, что информационная РНК передает эту информацию рибосоме, который «понимает», что аминокислота пролин должна быть добавлена к уже построенной аминокислотной последовательности, чтобы дать начало конкретному белку.
Как мы уже говорили ранее, белок состоит примерно из 100-300 аминокислот. Таким образом, любой белок, образованный из порядка 300 аминокислот, будет кодироваться в общей сложности 900 триплетами (300×3) или, если хотите, 2700 нуклеотидами (300x3x3). Теперь представьте себе каждую букву в каждом из 2700 нуклеотидов, что-то вроде: AAAUCCCCGGUGAUUUAUAAGG (. ) Именно это расположение, это скопление букв и является генетическим кодом. Проще, чем казалось сначала, правда?
Резюме
Если вы спросите любого биолога, интересующегося молекулярной биологией, о генетическом коде, то наверняка поговорите около 4-5 часов. Поистине увлекательно знать, что секрет жизни, каким бы нереальным он ни казался, заключен в определенной последовательности «букв».
Так что, геном любого живого существа можно отобразить с помощью этих 4 букв. Например, согласно проекту «Геном человека», вся генетическая информация нашего вида состоит из 3 000 миллионов пар оснований (нуклеотидов), которые находятся на 23 парах хромосом в ядрах всех наших клеток. Конечно, какими бы разными ни были живые существа, у всех нас есть общий «язык».
Анализ Генетического кода I
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:
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(2 2 ) = (0, 1, α, β), операции с которыми выполняются по модулю неприводимого многочлена р(х) = х 2 + 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 10 9 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):
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.
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
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 Х n слов, каждое длиной n символов из имеющихся q = |X|, которые образуют алфавит текстовых сообщений. Удобно все слова Х n 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.
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, …, хn) и у = (у1, у2, …, уn). Образуем их конкатенацию х||у = (х1, х2, …, хn, у1, у2, …, уn). Эта конкатенация из двух слов позволяет породить еще n – 1 слово множества Х n 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, …, хn, у1), (х3, …, хn, у1, у2)…( хn, у1,…, уn-2, уn-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| = Wn(q). Точное значение получить не удается, но оценку сверху для количества слов получить возможно, используя понятие периода слова. Обозначим символом Т k х циклический сдвиг слова длиной n на k шагов, k k х = 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