science

Учебник Молекулярная биология и генетика для начинающих

25 уроков · 8 разделов · бесплатно, без регистрации

Начать с первого урока

Этот курс — путешествие от отдельной молекулы к целому геному и к редактированию ДНК «вручную». Мы разберём, из чего сделана клетка, как ДНК хранит и передаёт информацию, как ген превращается в белок, почему потомство наследует признаки по строгим вероятностным законам и как закон Харди-Вайнберга описывает целые популяции. Завершим биотехнологией: ПЦР, секвенирование, клонирование и CRISPR/Cas9 — темой Национальной технологической олимпиады по геномному редактированию. Особенность курса: рядом с каждой формулой стоит короткая симуляция на Python (стандартная библиотека), которая считает частоты аллелей, вероятности скрещиваний, GC-состав ДНК и кодоны — теория сразу подтверждается числом. Курс рассчитан на старшеклассников, студентов и всех, кто хочет понять биологию как точную науку.

Курс «Молекулярная биология и генетика» состоит из 8 разделов и 25 уроков: Клетка и биомолекулы, ДНК и РНК: строение и расчёты, Центральная догма: от гена к белку, Гены, геном и мутации, Классическая генетика: законы Менделя, Популяционная генетика, Биотехнология и геномное редактирование и Эволюция, геномика и этика. Уроки идут по порядку — от основ к более сложным темам, в каждом есть объяснение с примерами, а в конце — вопросы для самопроверки. К урокам привязаны задачи с автоматической проверкой: прочитали тему — сразу закрепили её кодом.

Программа курса

  1. 1 Клетка и биомолекулы

    1. Что изучает молекулярная биология

      Предмет молекулярной биологии: молекулы жизни, уровни организации и связь с генетикой. Вводный урок курса.

    2. Белки: аминокислоты и уровни структуры

      Строение белков: 20 аминокислот, пептидная связь, первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Функции белков.

    3. Липиды, углеводы и устройство клетки

      Липиды и мембраны, углеводы как энергия и структура, строение про- и эукариотической клетки и её органеллы.

  2. 2 ДНК и РНК: строение и расчёты

    1. Строение ДНК: двойная спираль и комплементарность

      Нуклеотиды, азотистые основания A-T-G-C, антипараллельные цепи, правило Чаргаффа и комплементарность оснований ДНК.

    2. РНК и отличия от ДНК

      Строение РНК, основание урацил вместо тимина, рибоза, одноцепочечность и три типа РНК: мРНК, тРНК, рРНК.

    3. Репликация ДНК

      Полуконсервативная репликация ДНК: расплетание, матричный синтез, ведущая и отстающая цепь, роль ДНК-полимеразы.

    4. GC-состав ДНК: расчёт и смысл

      Что такое GC-состав ДНК, формула расчёта доли G+C, связь с температурой плавления и пример вычисления на Python.

  3. 3 Центральная догма: от гена к белку

    1. Центральная догма и транскрипция

      Центральная догма молекулярной биологии и транскрипция: синтез мРНК на матрице ДНК с помощью РНК-полимеразы.

    2. Генетический код и кодоны

      Генетический код: триплеты-кодоны, таблица соответствия кодонов аминокислотам, старт-кодон AUG и стоп-кодоны.

    3. Трансляция: перевод последовательности в белок

      Трансляция на рибосоме: чтение кодонов мРНК, роль тРНК, симуляция перевода последовательности нуклеотидов в белок.

  4. 4 Гены, геном и мутации

    1. Ген, геном и хромосомы

      Определение гена и генома, упаковка ДНК в хромосомы, размер генома человека и число генов, плотность кодирующих участков.

    2. Мутации: типы и последствия

      Типы мутаций: точечные замены, вставки, делеции, сдвиг рамки. Синонимичные, миссенс и нонсенс мутации, их последствия.

    3. Частота мутаций: оценка и симуляция

      Частота мутаций на нуклеотид и на геном, ожидаемое число мутаций, симуляция накопления мутаций на Python.

  5. 5 Классическая генетика: законы Менделя

    1. Основные понятия и первый закон Менделя

      Доминантные и рецессивные аллели, генотип и фенотип, гомо- и гетерозиготы, первый закон Менделя (единообразие гибридов).

    2. Решётка Пеннета и моногибридное скрещивание

      Решётка Пеннета, второй закон Менделя, расщепление 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу при скрещивании Aa на Aa.

    3. Дигибридное скрещивание и третий закон

      Дигибридное скрещивание, третий закон Менделя о независимом наследовании, расщепление 9:3:3:1 и его симуляция.

  6. 6 Популяционная генетика

    1. Частоты аллелей и закон Харди-Вайнберга

      Закон Харди-Вайнберга p^2+2pq+q^2=1, частоты аллелей и генотипов в популяции, условия равновесия, расчёт на Python.

    2. Генетический дрейф

      Генетический дрейф: случайное изменение частот аллелей в малых популяциях, фиксация и потеря аллелей, симуляция Райта-Фишера.

    3. Отбор и изменение частот аллелей

      Естественный отбор в популяционной генетике: коэффициент приспособленности, изменение частоты аллеля под отбором, симуляция.

  7. 7 Биотехнология и геномное редактирование

    1. ПЦР: размножение ДНК в пробирке

      Полимеразная цепная реакция (ПЦР): принцип, этапы цикла, экспоненциальный рост числа копий ДНК и расчёт на Python.

    2. Секвенирование и клонирование

      Секвенирование ДНК (чтение последовательности), метод Сэнгера и NGS, молекулярное клонирование и клонирование организмов.

    3. CRISPR/Cas9: как работает геномное редактирование

      CRISPR/Cas9: природа системы, направляющая РНК, разрез ДНК и репарация, точность редактирования генома. Тема НТО.

  8. 8 Эволюция, геномика и этика

    1. Молекулярная эволюция и родство видов

      Молекулярные часы, сравнение последовательностей ДНК и белков, оценка родства видов по числу различий, расчёт на Python.

    2. Современная геномика и персонализированная медицина

      Геномика, проект Геном человека, GWAS, полигенные риски и персонализированная медицина на основе анализа ДНК.

    3. Этика геномного редактирования

      Этика редактирования генома: соматическое и зародышевое редактирование, риски, off-target, дизайнерские дети, регулирование.