Молекулярная биология в схемах и таблицах

Молекулярная биология в схемах и таблицах / И. М. Рослый. - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2023. - 28 с. - ISBN 978-5-9704-7840-0, DOI: 10.33029/9704-7840-0-MBS-2023-1-28.

Аннотация

Краткое руководство по молекулярной биологии представлено в виде схем, таблиц и комментариев к ним, что делает сложнейший курс доходчивым для широкого круга читателей: студентов медицинских, биологических и химических факультетов университетов, врачей и научных сотрудников любых профессий, школьников, абитуриентов. Обобщенный иллюстрированный курс особенно необходим врачу. Медицинская биохимия начинается с усвоения азов молекулярной биологии. Книга адаптирована и для любознательного человека, которого интересует собственный организм, который хочет получить современные научные представления о самом себе.

Предисловие

У. Астбери в 1946 г. ввел термин «молекулярная биология» и показал, что конформация молекул является ключом к пониманию функционирования живых организмов. Это был гениальный призыв перевести одномерность мышления в объемное пространство, т. е. начать правильно мыслить. Он же элементарно разделил все белки на фибриллярные (например, наши волосы) и глобулярные. С этого момента и закрутился маховик изучения самого сущностного объекта природы — ядра клетки, округлого, объемного и очень загадочного. А если вспомнить, что яйцеклетка и сперматозоид — это две половины ядерной субстанции одного будущего целого организма, то становится ясно, что знать истоки развития любой жизни, уникальные для каждого индивидуума, но единые в их глубинном существе, — просто необходимо.
Краткое руководство по молекулярной биологии представлено в виде схем и комментариев, что делает сложнейший курс особенно доходчивым для читателя. Книга предназначена для студентов медицинских, биологических и химических факультетов университетов, для врачей и научных сотрудников любых профессий, для школьников, абитуриентов, так как знакомство с законами и принципами молекулярной биологии гармонизирует внутреннюю природу человека и настраивает мозг исследователя на поиск истинности сущего в живой природе. Данный краткий иллюстрированный курс особенно необходим для будущего врача. Медицинская биохимия начинается с понимания азов молекулярной биологии. Книга адаптирована для любознательного человека, который интересуется собственным организмом, хочет иметь элементарные (и одновременно глубокие) представления о самом себе. Что создает, конструирует, исправляет и меняет нас от «кончиков ногтей до душевных глубин» в переложении на понятный вещественный язык, знает только молекулярная биология, и к ней нужно припадать, как к самому чистому интеллектуальному роднику. Понимание языка молекулярной биологии — это и есть понимание всего сущего, а «возведение всего сущего в мысль» — дело науки (А.И. Герцен). Молекулярная биология — основа всех биологических и медицинских дисциплин, особенно если читатель стремится познавать их на современном научном уровне.
Мир един и единство его — в многообразии! Молекулярная биология иллюстрирует все живое на самом сущностном — ядерном — уровне. Все живое начинается с клетки, клетка же начинается с ядра. Ядро, оно же хроматин, — ядерная субстанция, хранилище и стартовое поле для всех 46 хромосом человека, место начала реализации генетической информации, геном человека и средоточие всего человеческого многообразия. Как раскрывается генетическая программа в организме, т. е. как властвует онтогенез, — известно только узким специалистам, но ход этого явления удивительно прост и понятен каждому, как все гениальное, по существу. Именно поэтому автору и хотелось, не вдаваясь в частности, проиллюстрировать молекулярно-биологическое маршрутное совершенство. Молекулярная биология учит видеть главное и мыслить масштабно. Это — научная пропедевтика любого познания.
Информационный бум в биологии связан с поиском многообразных частностей. Это отвлекает ум человека от генеральной линии всего живого: все фенотипические признаки (свойства организма) в значительной мере являются продуктом генетической информации, иначе говоря, функцией ядерного вещества. Именно поэтому строение нуклеиновых кислот и их взаимодействие с белками — самый начальный, самый красивый и самый совершенный этап в развитии живого. Покоряющая простота и фантастическая сложность объединяют это божественное явление! «Так связан, съединен от века союзом кровного родства разумный гений человека с творящей силой естества… Скажи заветное он слово — и миром новым естество всегда откликнуться готово на голос родственный его!». Эти пророческие строки Ф. Тютчева задолго до открытия молекулярной биологии предрекли абсолютную взаимосвязь всего абсолютно сущего с абсолютно духовным.
История этой науки начинается в 1869 г., когда швейцарский биолог Ф. Мишер выделил из клеток гноя вещество, которое назвал нуклеином (nucleus — ядро). Система белок-нуклеиновых взаимоотношений исключительна и многообразна. Любому образованному человеку необходимо знать организацию внутриклеточных потоков. Врачу же без этой, по сути, элементарной информации никогда не понять всего многообразия заболеваний. «Атом неисчерпаем!» — заклинание физиков, которое известно каждому. А ядро! Оно стократ сложнее и тысячекратно интереснее. Начните же познавать самое сущностное и самое ценное в биологии с этих скромных попыток привлечь внимание к вселенской логике! Именно с настоящего момента начинается маршрут к вселенским тайнам, т. е. к Богу, который каждому является в своей ипостаси. Так начните вместе с нами интеллектуальное движение «от генетической печки»!

Нуклеиновые кислоты: их состав

Рис. 1. Нуклеиновые кислоты: их состав

Комментарии к рис. 1

Пуриновые основания АДЕНИН и ГУАНИН — общие для ДНК и РНК.
Пиримидиновое основание ЦИТОЗИН — общее для ДНК и РНК.
Пиримидиновое основание УРАЦИЛ входит в состав только РНК.
Пиримидиновое основание ТИМИН входит в состав только ДНК (исключение составляет ДНК некоторых вирусов: например, ДНК одного из фагов сенной палочки содержит УРАЦИЛ).
Замена ОН-группы на водород в положении 2 приводит к следующему.
1. Повышает устойчивость связи С–С к разным воздействиям, а значит, и устойчивость ДНК, что важно для повышения консервативности соединения — хранителя генетической информации.
2. Повышает компактность молекулы при образовании «двойной спирали» — сближение до 6,6 нм осей двух цепей.
3. Частично обеспечивает специфичность взаимодействия нуклеотидов с энзиматическими системами при разделении функций ДНК и РНК.

8-Гидроксигуанин (радиационный продукт) может нарушать транскрипцию ДНК.

Минорные основания

Рис. 2. Минорные основания

Комментарии к рис. 2

Минорные основания содержатся в различных нуклеиновых кислотах (НК) от 1 до 25% тРНК.
Минорные основания являются производными 5 тривиальных оснований, образуются поле синтеза НК уникальным метилированием при участии специфических метилаз.
Минорные основания используются в НК не для метрического копирования по правилу комплементарности, а для создания в структуре НК функционального элемента, т. е. зоны специфического взаимодействия с другой структурой (ферментом, НК, структурным белком).

Варианты изображения нуклеиновых кислот или запись первичной структуры

Рис. 3. Варианты изображения нуклеиновых кислот или запись первичной структуры

Комментарии к рис. 3

Первичная структура тождественна понятию «специфичность НК» и термину «генетическая информация».
Определяется с помощью метода Сэнгера (английский биохимик Фредерик Сэнгер получил в 1958 г. Нобелевскую премию за расшифровку последовательности инсулина, расшифровал последовательность ДНК фага ФХ 174 – 6375 нуклеотидов) или метода Максама–Жильберта.

Комплементарные пары оснований ДНК

Рис. 4. Комплементарные пары оснований ДНК

Комментарии к рис. 4

Комплементарные основания в структуре НК должны обязательно находиться в одной плоскости.
Пуриновое основание взаимодействует с пиримидиновым посредством водородных связей [в паре гуанин (Г) и цитозин (Ц) их 3, в паре аденин (А) и тимин (Т) их 2].
Основания находятся только в кетоформе.
Пуриновые основания на рис. 4 обращены «лицом» вперед, а пиримидиновые — «спиной».
В РНК при формировании вторичной структуры место тимина занимает урацил (У).

Вторичная структура ДНК — «двойная спираль»

Рис. 5. Вторичная структура ДНК «двойная спираль»

Комментарии к рис. 5

Основные требования к формированию «двойной спирали»:
- комплементарность оснований (А–Т и Г–Ц);
- комплементарность нуклеотидной последовательности (т.е. первичной структуры) –А–Т–Т–ГЦ–Т–Г–Ц–А–Т–А–А–ЦГ–А–Ц–Г–Т–;
- антипараллельное расположение цепей 3 ________________ 5, 5 _______________ 3;
- параллельные цепи удерживаются водородными связями между основаниями и стабилизируются вандерваальсовыми силами между вышерасположенными основаниями («стопка монет») — стэкинг-взаимодействие;
- спиральный ход обусловлен связью фосфодиэфирных мостиков с атомами дезоксирибозы (3-й и 5-й атом), находящимися на неодинаковом расстоянии от оси спирали.
«Двойная спираль» является иллюстрацией способности НК к самовоспроизведению, т.е. к репродукции.

Построение хроматина

Рис. 6. Построение хроматина (структура ДН-протеида)

Комментарии к рис. 6

ДНК (двойная спираль) накручена на октамер гистонов.
Гистоны располагаются по глубокой борозде «двойной спирали».
При участии гистонов осуществляется важнейшая функция ДНК — хранение генетической информации, т.е. первичной структуры.
В хроматине, помимо гистонов, содержатся и негистонные белки (НГБ). В отличие от консервативных гистонов они поразительно разнообразны (до 500 разновидностей) и специфичны для каждой ткани.
Нуклеосомы открыты в 1973–1974 гг.
На нуклеосоме длина ДНК сокращается в 7 раз, на мононуклеомере еще в 6 раз, а дальнейшая упаковка приводит к сокращению еще в 12 раз.
Нуклеомер состоит из 8 нуклеосом, димер — из 14–16 нуклеосом, тример — из 21–24 нуклеосом. Нуклеомерная фибрилла — спиральная укладка нуклеосомной цепочки в нуклеомере (2 витка по 4 нуклеосомы в каждом) чередуется с нарушением спиральности между нуклеомерами.
Нуклеомер называют еще супербидом — «сверхбусиной».
Нуклеосомы называют «бусинами жизни».

Структура тРНК

Рис. 7. Структура тРНК

Комментарии к рис. 7

тРНК содержат 75–85 нуклеотидов, имеют мол. массу 25–28 тыс.
тРНК относятся к ГЦ-типу (содержат до 60% гуанина и цитозина).
От 8 до 25% длины РНК приходится на минорные нуклеотиды: каждая из тРНК имеет свой специфический набор и расположение минорных нуклеотидов.
Доля спаренных оснований составляет до 75%.
тРНК имеет синонимы: адапторная, растворимая, 4,5 РНК.
Функция тРНК:
- а) связывание аминокислоты с достаточным запасом энергии для образования пептидной связи при трансляции;
- б) обеспечение точной ориентации на рибосоме аминокислотного остатка;
- в) строгая специфичность выбора и включения аминокислот в строящийся пептид;
- г) собственно трансляция, т.е. перевод нуклеотидной последовательности в аминокислотную.
Каждая аминокислота имеет свою тРНК, но для каждой аминокислоты может использоваться несколько тРНК, которые в этом случае называются изоакцепторными или индивидуальными [общее число тРНК значительно превышает число аминокислот (20) и составляет около 60–80].
Специфическое взаимодействие тРНК со своей аминокислотой и образование комплекса аминоацил–тРНК (аа–тРНК) осуществляют ферменты с абсолютнейшей специфичностью — аминоацил-тРНК-синтетазы.

Принцип построения рибосом

Рис. 8. Принцип построения рибосом

Комментарии к рис. 8

рРНК относится к ГЦ-типу (соотношение ГЦ/АУ >1).
Шпилевидные участки образованы преимущественно ГЦ-парами, которые прочнее пар АУ-типа и придают жесткость вторичной структуре РНК.
В большой субчастице, состоящей из 4700 нуклеотидов, содержатся 28 РНК с мол. массой 1,7×10⁶ , в малой субчастице, состоящей из 2200 нуклеотидов, содержатся 18 РНК с мол. массой 0,7×10⁶ . С большей субчастицей соединена 5S РНК — 120 нуклеотидов.
В состав рибосомы входят около 100 белков со средней мол. массой 25 тыс.
До 50% оснований образуют шпилевидные участки.
Для построения рибосом требуются ионы Mg.
Принципы построения рибосомы следующие:
- принцип рибонуклеопротеидного тяжа;
- принцип множественности рибосомных белков;
- принцип неравных субъединиц;
- принцип самосборки.
Рибосомы прокариот относятся к типу 70S, а эукариот — к типу 80S.
Гомологии между рибосомными белками прокариот и эукариот нет.

Структура иРНК

Рис. 9. Структура иРНК

Комментарии к рис. 9

Кэп-структура 5’-концевой иРНК эукариотов:
- а) устойчива к фосфатазам, т.е. деградации (концевые фосфаты метилированы);
- б) обращенная 5–5-связь;
- в) ферменты, образующие «кэп», — ферменты кэпирования:
  - иРНК–гуанилилтрансфераза;
  - гуанин-7-метилтрансфераза;
  - 2–О-метилтрансфераза.
Вторичная структура находится в 3-й и 5-й некодируемых областях.
В цитоплазме иРНК соединяется с белками с образованием рибонуклеопротеида — информосомы. Белками информосом являются факторы трансляции и набор аа-тРНК-синтетаз.
В эукариотических иРНК терминирующими кодонами являются УАА, УАГ и УГА, которые используются с частотой 2:1:1 соответственно.
Поли-А- сегмент отсутствует только у гистоновых иРНК.

Нуклеиновые кислоты

Таблица 1. Нуклеиновые кислоты
Типы	ДНК	рРНК	иРНК	тРНК
Состав нуклеотида	А Г дРибоза, Т Ц Н3 РО₄ , минорные основания	А Г Рибоза, У Ц Н3 РО₄ , минорные основания	А Г Рибоза, У Ц Н3 РО₄ , минорные основания	А Г Рибоза, У Ц Н3 РО₄ , минорные основания
Уровни структурной организации	Первичная — геном. 2-я — «двойная спираль». 3-я — нуклеосома 4-я — «соленоид» хроматин	Первичная. 2-я — шпилевидная. 3-я — РНП-тяж. 4-я — риб. субчастица полисома	Первичная. 2-я 3-я — информосома полисома	Первичная. 2-я — «кленовый лист». 3-я аа-тРНК-полисома
Уровни структурной организации		Объединение структур
Важнейшие функциональные элементы РНК или РНП	Промотр. Терминатор. Функциональная зона. Структурная зона	А-участок. Р-участок	«Кэп». Инициирующий кодон. Терминирующий кодон. Поли-А- сегмент	Антикодон. ЦЦА-конец. Псевдоуридиловая петля
Белки нуклеопротеида	5 типов гистонов. Негистоновые белки	Рибосомные белки	Информосомные белки (т.е. факторы трансляции)	аа-тРНК-синтетаза
Тип белков	Преимущественно основные (функционально связаны с НК)
Локализация нуклеотида в клетке	Ядро. Митохондрия	Нуклеоплазма. Ядрышко. Цитоплазма. Митохондрия	Нуклеоплазма. Хроматин. Цитоплазма. Митохондрия	Нуклеоплазма. Цитоплазма. Митохондрия
Функция НК (важнейшая)	Хранение и передача первичной структуры от одной клетки к другой	Построение рибосомы по программе первичной структуры	Принятие первичной структуры от определенных участков ДНК (генов)	Перевод нуклеотидной последовательности (специфичности НК) в аминокислотную (специфичность белка)

Нарушение функции НК. Нарушение передачи генетической информации, а также нарушение ее реализации в фенотипические признаки организма (т.е. болезнь).

Комментарии к табл. 1

Первая и вторая строки таблицы понятны и комментария не требуют.
Строка «Уровни структурной организации» необходима для акцента на принципы усложнения структуры живых систем, т.е. формирования органоидов — структур с определенной биологической ролью.
Усложнение структурной организации биомолекул приводит к формированию функциональных элементов, т.е. участков специфического взаимодействия с другой надмолекулярной (как правило) структурой для выполнения биологической роли — биосинтеза белка, хранения генетической информации. Именно поэтому при изучении структуры НК и НПротеидов необходимо обращать внимание на формирование и особенности функциональных элементов.
НК в структурном отношении тесно связаны с белками и такое взаимодействие необходимо: а) для предохранения НК от действия нуклеаз; б) формирования органоида — хроматин, рибосома, информосома; в) транспорта из ядра в цитоплазму, а также внутрицитоплазменного транспорта; г) формирования функционального элемента.
Целесообразно обратить внимание на важнейшую функцию НК или НПротеида. </ol>

Схема перевода генетической информации

Рис. 10. Схема перевода генетической информации (специфичности НК в специфичность белков)

Репликация

Рис. 11. Репликация (удвоение, матричный синтез)

Комментарии к рис. 11

Репликации предшествует распаковка хроматина.
Транскрибируемый и реплицирующийся хроматин не имеет нуклеосомной организации.
На хроматине одновременно возникает около 1000 мест репликации.
Репликация ДНК эукариот идет в двух направлениях от места инициации с образованием так называемого репликационного глаза.
Фрагменты Оказаки имеют длину 1000–2000 нуклеотидов у прокариотов и 40–290 нуклеотидов у эукариотов.

Механизм присоединения очередного нуклеотида при синтезе ДНК

Рис. 12. Механизм присоединения очередного нуклеотида при ДНК

Комментарии к рис. 12

Синтез ДНК происходит при участии НТФ в направлении 5’–3’.
Фермент ДНК-полимераза требует катионов МД⁺⁺ в оптимальных условиях, включая 1000 нуклеотидов в минуту.
ДНК-полимераза осуществляет отбор комплементарных НТФ.
Синтез полуконсервативный — продукт синтеза содержит одну цепь из целой матрицы.

Этапы процессинга информационной РНК (внутриядерное созревание)

Рис. 13. Этапы процессинга информационной РНК (внутриядерное созревание)

Полисомный цикл

Рис. 14. Полисомный цикл

Биосинтез белка

Рис. 15. Биосинтез белка

Матричные биосинтезы

Таблица 2. Матричные биосинтезы
Название процесса	Репликация	Транскрипция	Трансляция	Обратная транскрипция
	ДНК-матрица. ДНК-затравка. Расплетающий энзим. ДНК-полимераза. ДНК-лигаза НТФ Мд	ДНК-матрица-цепь. Расплетающий энзим. РНК-полимераза. НТФ МД	Информосома. Рибосома. аа-тРНК. Факторы трансляции. АТФ ГТФ Мд	РНК-матрица. Обратная транскриптаза. НТФ АТФ ГТФ Мд
Этапы процесса	Расплетание ДНК. Инициация. Элонгация. Сшивание фрагментов. Упаковка ДНК	Расплетание ДНК. Инициация. Элонгация. Терминация	Инициация. Элонгация. Терминация	Инициация. Элонгация. Терминация
Требуемые этапу функциональные элементы НК или НПротеида	Инициаторный участок ДНК	Оперон: промотр функциональная зона, структурная зона терминатор	«Кэп»-инициирующий кодон А-участок рибосомы транслируемая зона информасомы Р-участок рибосомы терминирующий кодон	Поли-А-сигмент
Продукт биосинтеза	ДНК	РНК	Белок	ДНК
Локализация процесса	Ядро: хроматин; ядрышко	Ядро: хроматин; ядрышко	Цитоплазма митохондрия	Цитоплазма
Биологические процессы, обеспечиваемые биосинтезом	Деление клеток образование митохондрий	Формирование фенотипа	Формирование фенотипа	Вирусная инфекция, малигнизация клеток
Ингибиторы биосинтеза	Актиомицин Д. Митомицин. Стрептопигрин	Рифамицины	Тетрациклин. Стрептопигрин. Эритромицин. Олсайдомицин

Посттрансляционные модификации белков

Рис. 16. Посттрансляционные модификации белков

Формирование фенотипических признаков организма на клеточном уровне

Рис. 17. Схема перевода генетической информации на типические признаки

Комментарии к рис. 17

Потоки нуклеиновых кислот (рибосомной, информационной и транспортной) по мере их созревания проходят сходные этапы структурирования, т.е. упаковки.
Соединение этих потоков означает создание белок-синтетического аппарата клетки — полисомы.
Полисома — это качественно новый уровень организации живой системы, который производит единственный инструмент природы — белок.
Синтез белка — это основа любого онтогенеза и дифференцировки, а самое главное, это единственный признак живого.
Белок-нуклеиновые взаимодействия — пример уникальной живой клавиатуры, которая используется для построения разных организмов по воле Творца Вселенной.

Заключение

Основы молекулярной биологии позволяют правильно ориентировать мышление человека, задумывающегося над сущностью живого. Постижение азов молекулярной биологии требует своего продолжения при последующем изучении физиологии и патологии, а также в поиске аналогий между всеми живыми системами (сравнительная эмбриология, сравнительная анатомия, сравнительная физиология). Это фундамент для понимания общебиологических закономерностей. Переход от неживого к живому прост по сути, но чрезвычайно сложен для понимания. Именно поэтому основы молекулярной биологии представляют собой стартовую позицию в данном направлении.