Молекулярная биология

Клиническая медицина
1.Основные биополимеры клетки

Клетка живого организма состоит из органических соединений, среди которых важнейшими являются биополимеры – макромолекулы, построенные из повторяющихся мономеров. Главные биополимеры клетки:

• Белки – полимеры аминокислот, выполняющие множество функций, включая катализ, транспорт веществ и формирование структуры клетки.

• Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) – хранение, передача и реализация генетической информации.


Другие биополимеры:

• Полисахариды (углеводы) – источники энергии (глюкоза, крахмал) и строительные компоненты (целлюлоза, хитин).

• Липиды – мембранные структуры, запасы энергии и сигнальные молекулы.

2.Белки

2.1. Общие сведения


Белки – самый распространённый класс биополимеров в живой природе, составляющий 50–80% сухой массы клеток. Они обладают максимальным разнообразием структуры и функций среди всех органических веществ.


Белки определяют фенотип организма, формируя внешний облик и обеспечивая жизнедеятельность клеток. Хотя последовательность их аминокислот закодирована в ДНК, сами белки гораздо более вариабельны, чем нуклеиновые кислоты, благодаря большему числу возможных комбинаций 20 аминокислот по сравнению с 4 нуклеотидами (A, G, T, C).


Белки участвуют во всех молекулярно-биологических процессах и играют ключевые роли в функционировании клетки.

2.2. Аминокислотный состав


Белки состоят из аминокислот, связанных пептидными связями.

• В состав белков входят 20 канонических аминокислот.

• Они отличаются по радикалу (R-группе), который определяет их свойства.

• Аминокислоты могут быть полярными, неполярными, заряженными (кислотными или основными), ароматическими, серосодержащими.


Формула аминокислоты:


H2N - CH - COOH, где R – боковая цепь



🔹 Мнемоника для запоминания аминокислот по группам:

• Ароматические: Феня Тихо Триптует (Фенилаланин, Тирозин, Триптофан).

• Основные (несут + заряд): Лиза Аргументирует Гистерично (Лизин, Аргинин, Гистидин).

• Кислотные (несут – заряд): Аспарагиновая, Глутаминовая (Asp, Glu).

• Серосодержащие: Цистеин и Метионин – Сероватые Молекулы (Cys, Met).


🔹 Дополнение:

• Глицин (Gly) – единственная ахиральная аминокислота (не имеет оптической активности).

• Пролин (Pro) – единственная иминокислота, придаёт жесткость белкам.

• Селеноцистеин (Sec) – 21-я аминокислота, содержится в ферментах (глутатионпероксидаза).

2.3. Пептидная связь


Пептидная связь – это ковалентная связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой.



H2N -CH - CO - NH - CH - COOH + H2O


• В биологических системах синтез белков идёт на рибосомах и требует АТФ.

• Связь обладает частично двойным характером, что ограничивает её вращение.

2.4. Структурные уровни организации белков

1. Первичная структура – последовательность аминокислот.

• Определяет функции белка.

• Мутации в первичной структуре могут вызывать заболевания (пример: серповидно-клеточная анемия).

2. Вторичная структура – формируется за счёт водородных связей.

• α-спирали (например, в миоглобине).

• β-складчатые листы (например, в шёлке).

• Коллагеновая тройная спираль (Gly-X-Y, где X – Pro, Y – гидроксипролин).

3. Третичная структура – пространственная укладка всей молекулы.

• Стабилизируется гидрофобными взаимодействиями, ионными связями, дисульфидными мостиками.

• Определяет функциональность белка.

4. Четвертичная структура – объединение нескольких полипептидных цепей.

• Пример: гемоглобин (4 субъединицы).


🔹 Дополнительные уровни:

• Сверхвторичные структуры – объединение α-спиралей и β-листов (например, “цинковые пальцы”).

• Домены – функциональные модули белков (пример: активные центры ферментов).

2.5. Функции белков


Белки выполняют ключевые биологические функции:

1. Каталитическая – ферменты (ДНК-полимераза, амилаза).

2. Структурная – формируют клеточные компоненты (коллаген, кератин).

3. Транспортная – переносят вещества (гемоглобин, альбумин).

4. Регуляторная – гормоны управляют обменом веществ (инсулин, соматотропин).

5. Сократительная – движение (актин, миозин).

6. Иммунная – защита организма (иммуноглобулины).

7. Сигнальная – передача сигналов в клетке (белки-рецепторы).

8. Запасающая – хранение аминокислот (казеин, ферритин).


🔹 Мнемоника:

“Катя Строит Трамвай Ради Скорости И Спокойствия Запасов”.

(Каталитическая, Структурная, Транспортная, Регуляторная, Сократительная, Иммунная, Сигнальная, Запасающая).

2.6. Денатурация и ренатурация

• Денатурация – потеря белком своей структуры под воздействием температуры, кислот, солей тяжёлых металлов.

• Ренатурация – восстановление структуры (если повреждения обратимы).

Пример: при высокой температуре белок яичного белка сворачивается и не может вернуться в исходное состояние.

3. Нуклеиновые кислоты

3.1. ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота)

ДНК – носитель генетической информации у всех живых организмов (за исключением некоторых вирусов, которые используют РНК). Она содержит инструкции для синтеза белков и регулирует работу клетки.


3.1.1. Структура ДНК


ДНК представляет собой двухцепочечную спираль, состоящую из комплементарных полинуклеотидных цепей.


Компоненты ДНК:

• Азотистые основания:

• Пурины (двухкольцевые): Аденин (A), Гуанин (G)

• Пиримидины (однокольцевые): Цитозин (C), Тимин (T)

• Пентозный сахар: Дезоксирибоза (отличается от рибозы отсутствием кислородного атома в положении 2’).

• Фосфатная группа: Формирует остов ДНК, соединяя нуклеотиды.


3.1.2. Правило комплементарности

• Цепи ДНК антипараллельны (одна направлена 5’ → 3’, другая 3’ → 5’).

• Правило Чаргаффа:

• А соединяется с Т (две водородные связи).

• Г соединяется с Ц (три водородные связи, что делает такие участки более стабильными).


🔹 Мнемоника:

“Аист и Тигр – два друга, Гусь и Цапля – три друга.”


3.1.3. Формы ДНК


ДНК существует в разных формах, в зависимости от условий окружающей среды:

• B-ДНК – наиболее распространённая, правозакрученная спираль.

• A-ДНК – образуется в обезвоженных условиях, более компактная.

• Z-ДНК – левозакрученная спираль, встречается в регуляторных участках.


3.1.4. Функции ДНК

1. Хранение генетической информации – обеспечивает наследственность.

2. Репликация – копирование перед делением клетки.

3. Транскрипция – служит матрицей для синтеза РНК.

4. Мутации – изменения в ДНК ведут к эволюции или генетическим заболеваниям.

3.2. РНК (Рибонуклеиновая кислота)

РНК – одноцепочечная нуклеиновая кислота, участвующая в экспрессии генов и синтезе белков.


3.2.1. Структура РНК


РНК схожа с ДНК, но имеет ключевые отличия:

• Азотистые основания:

• Аденин (A), Гуанин (G), Цитозин (C), Урацил (U) (вместо тимина).

• Пентозный сахар: Рибоза (имеет OH-группу в положении 2’).

• Обычно одноцепочечная, но может образовывать вторичные структуры.


🔹 Мнемоника:

“В ДНК – T, в РНК – U.”


3.2.2. Виды РНК и их функции

1. мРНК (матричная, информационная) – переносит информацию о белке от ДНК к рибосомам.

2. тРНК (транспортная) – доставляет аминокислоты к месту синтеза белков.

3. рРНК (рибосомная) – входит в состав рибосом и участвует в трансляции.

4. snРНК (малая ядерная РНК) – участвует в сплайсинге мРНК.

5. miРНК (микроРНК) – регулирует экспрессию генов.

6. siРНК (малые интерферирующие РНК) – разрушают специфические мРНК, регулируя активность генов.


🔹 Мнемоника:

“мРНК – Матрица, тРНК – Транспорт, рРНК – Рибосома, snРНК – Сплайсинг, miРНК – Модуляция, siРНК – Сайленсинг.”

4. Основные матричные процессы

4.1 Репликация

Репликация гарантирует, что каждая дочерняя клетка получает идентичную копию ДНК при делении.


Основные принципы репликации

• Полуконсервативность – каждая новая молекула содержит одну родительскую цепь и одну вновь синтезированную цепь.

• Бидирекциональность – процесс идёт в обе стороны от точки начала репликации.


Этапы репликации

1. Инициация

• Хеликаза раскручивает двойную спираль ДНК.

• Белки SSB стабилизируют одноцепочечные участки.

• Примаза синтезирует РНК-затравки.

2. Элонгация

• ДНК-полимераза III добавляет нуклеотиды в направлении 5’ → 3’.

• Лидирующая цепь синтезируется непрерывно.

• Запаздывающая цепь синтезируется фрагментами (фрагменты Оказаки).

3. Терминация

• ДНК-полимераза I удаляет РНК-затравки и заменяет их ДНК.

• ДНК-лигаза соединяет разрывы между фрагментами.


🔹 Мнемоника для ключевых ферментов:

“Хеликаза Раскручивает, Примаза Подготавливает, Полимераза Строит, Лигаза Склеивает.”


4.2 Транскрипция: от ДНК к РНК


Транскрипция – это процесс копирования ДНК в РНК.


Этапы транскрипции

1. Инициация

• РНК-полимераза связывается с промотором (TATA-бокс у эукариот).

2. Элонгация

• РНК-полимераза синтезирует РНК в направлении 5’ → 3’, используя матрицу ДНК.

3. Терминация

• РНК-полимераза достигает стоп-сигнала и освобождает молекулу РНК.


4.3 Трансляция: от РНК к белку


Трансляция – это процесс синтеза белка по информации мРНК.


Этапы трансляции

1. Инициация

• Рибосома соединяется с мРНК на старт-кодоне (AUG – метионин).

2. Элонгация

• тРНК приносит аминокислоты, соответствующие кодонам мРНК.

• Формируются пептидные связи между аминокислотами.

3. Терминация

• Стоп-кодон (UAA, UGA, UAG) завершает синтез белка.

5. Краткое содержание

• Белки и нуклеиновые кислоты – главные биополимеры клетки.

• ДНК – хранение информации, РНК – её реализация.

• Репликация – копирование ДНК, транскрипция – синтез мРНК, трансляция – сборка белка.

• Ферменты управляют процессами.

1.Main Biopolymers of the Cell

1. Main Biopolymers of the Cell


A living organism’s cell consists of organic compounds, among which the most important are biopolymers – macromolecules made up of repeating monomers. The main biopolymers of the cell are:

• Proteins – polymers of amino acids that perform multiple functions, including catalysis, substance transport, and structural formation of the cell.

• Nucleic acids (DNA and RNA) – responsible for storing, transmitting, and expressing genetic information.


Other biopolymers:

• Polysaccharides (carbohydrates) – serve as energy sources (glucose, starch) and structural components (cellulose, chitin).

• Lipids – form membrane structures, store energy, and act as signaling molecules.

2.Proteins

2.1. General Information

Proteins are the most abundant class of biopolymers in nature, making up 50–80% of the dry mass of cells. They exhibit the greatest diversity in structure and function among all organic molecules.


Proteins determine an organism’s phenotype, shaping its appearance and ensuring cellular function. Although their amino acid sequences are encoded in DNA, proteins are much more variable than nucleic acids due to the 20 amino acids, compared to only 4 nucleotides (A, G, T, C).


Proteins participate in all molecular biological processes and play key roles in cellular function.

2.2. Amino Acid Composition

Proteins consist of amino acids, linked by peptide bonds.

• There are 20 canonical amino acids in protein structure.

• They differ by their side chain (R-group), which determines their properties.

• Amino acids can be polar, nonpolar, charged (acidic or basic), aromatic, or sulfur-containing.


General Formula of an Amino Acid



H2N - CH - COOH, where R = side chain



🔹 Mnemonic for remembering amino acid groups:

• Aromatic: “Phenyl Tries Tripping.” (Phenylalanine, Tyrosine, Tryptophan)

• Basic (positively charged): “Lys Argued Hysterically.” (Lysine, Arginine, Histidine)

• Acidic (negatively charged): Aspartic Acid, Glutamic Acid (Asp, Glu).

• Sulfur-containing: “Cysteine and Methionine – Sulfurous Molecules.” (Cys, Met)


🔹 Additional Notes:

• Glycine (Gly) is the only achiral amino acid (no optical activity).

• Proline (Pro) is an imino acid, making proteins more rigid.

• Selenocysteine (Sec) is sometimes called the 21st amino acid, found in certain enzymes (glutathione peroxidase).

2.3. Peptide Bond

A peptide bond is a covalent bond between the amino group of one amino acid and the carboxyl group of another.


H2N -CH - CO - NH - CH - COOH + H2O


• In biological systems, protein synthesis occurs on ribosomes and requires ATP.
• The partial double-bond character of the peptide bond restricts rotation, influencing protein structure.

2.4. Structural Organization of Proteins

1. Primary Structure – the linear sequence of amino acids.
• Determines protein function.
• Mutations in the primary structure can cause diseases (e.g., sickle cell anemia).
2. Secondary Structure – stabilized by hydrogen bonds.
• α-helices (e.g., in myoglobin).
• β-pleated sheets (e.g., in silk fibroin).
• Collagen triple helix (Gly-X-Y, where X = Proline, Y = Hydroxyproline).
3. Tertiary Structure – the three-dimensional folding of the polypeptide chain.
• Stabilized by hydrophobic interactions, ionic bonds, disulfide bridges.
• Determines biological function.
4. Quaternary Structure – association of multiple polypeptide chains.
• Example: Hemoglobin (4 subunits).

🔹 Additional Structural Levels:
• Supersecondary structures – combinations of α-helices and β-sheets (e.g., “zinc fingers”).
• Domains – functional protein modules (e.g., enzyme active sites).

2.5. Protein Functions

Proteins perform vital biological functions:
1. Catalytic – enzymes accelerate biochemical reactions (DNA polymerase, amylase).
2. Structural – form cell components (collagen, keratin).
3. Transport – move molecules (hemoglobin, albumin).
4. Regulatory – hormones control metabolism (insulin, growth hormone).
5. Contractile – movement (actin, myosin).
6. Immune – defense (antibodies, immunoglobulins).
7. Signaling – transmit signals in cells (receptor proteins).
8. Storage – store amino acids (casein, ferritin).

🔹 Mnemonic:
“Cats Study Trains Regularly So I Stay Zen.”
(Catalytic, Structural, Transport, Regulatory, Contractile, Immune, Signaling, Storage).

2.6. Denaturation and Renaturation

• Denaturation – loss of protein structure due to temperature, pH, or heavy metals.
• Renaturation – restoration of function (if damage is reversible).

Example: Cooking egg whites causes irreversible denaturation of albumin.

3.Nucleic acids

3.1. DNA (Deoxyribonucleic acid)

DNA – The Carrier of Genetic Information
DNA is the genetic material in all living organisms (except for some viruses that use RNA). It contains instructions for protein synthesis and regulates cellular function.

Structure of DNA
DNA is a double-stranded helix consisting of complementary polynucleotide chains.
DNA Components:
  • Nitrogenous bases:
  • Purines (double-ringed): Adenine (A), Guanine (G).
  • Pyrimidines (single-ringed): Cytosine (C), Thymine (T).
  • Pentose sugar: Deoxyribose (differs from ribose by the absence of an oxygen atom at the 2’ position).
  • Phosphate group: Forms the DNA backbone, linking nucleotides.
Complementary Base Pairing
  • DNA strands are antiparallel (one runs 5’ → 3’, the other 3’ → 5’).
  • Chargaff’s Rule:
  • A pairs with T (two hydrogen bonds).
  • G pairs with C (three hydrogen bonds, making GC-rich regions more stable).
📌 Mnemonic:
"An Aist (Stork) and a Tiger – two friends, a Goose and a Crane – three friends."

Forms of DNA
DNA exists in different forms depending on environmental conditions:
  • B-DNA – the most common, right-handed helix.
  • A-DNA – forms in dehydrated conditions, more compact.
  • Z-DNA – left-handed helix, found in regulatory regions.
Functions of DNA
  1. Storage of genetic information – ensures heredity.
  2. Replication – copying before cell division.
  3. Transcription – serves as a template for RNA synthesis.
  4. Mutations – changes in DNA drive evolution or cause genetic diseases.

3.2. RNA (Ribonucleic acid)

RNA is a single-stranded nucleic acid involved in gene expression and protein synthesis.

Structure of RNA
RNA is similar to DNA but has key differences:
  • Nitrogenous bases:
  • Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Uracil (U) (instead of thymine).
  • Pentose sugar: Ribose (contains an OH group at the 2’ position).
  • Usually single-stranded, but can form secondary structures.
📌 Mnemonic:
"DNA has T, RNA has U."

Types of RNA and Their Functions
  1. mRNA (messenger RNA) – carries genetic information from DNA to ribosomes.
  2. tRNA (transfer RNA) – delivers amino acids for protein synthesis.
  3. rRNA (ribosomal RNA) – forms ribosomes and participates in translation.
  4. snRNA (small nuclear RNA) – involved in mRNA splicing.
  5. miRNA (microRNA) – regulates gene expression.
  6. siRNA (small interfering RNA) – destroys specific mRNA molecules to regulate gene activity.
📌 Mnemonic:
"mRNA – Messenger, tRNA – Transport, rRNA – Ribosome, snRNA – Splicing, miRNA – Modulation, siRNA – Silencing."

4. Basic matrix processes

3.3. DNA Replication
Replication ensures that each daughter cell receives an identical copy of DNA during cell division.

Principles of DNA Replication
  • Semiconservative – each new molecule contains one parental strand and one newly synthesized strand.
  • Bidirectional – proceeds in both directions from the origin of replication.
Stages of DNA Replication
1.Initiation
  • Helicase unwinds the DNA double helix.
  • SSB proteins stabilize single-stranded DNA.
  • Primase synthesizes RNA primers.
2.Elongation
  • DNA polymerase III adds nucleotides in the 5’ → 3’ direction.
  • Leading strand is synthesized continuously.
  • Lagging strand is synthesized in fragments (Okazaki fragments).
3.Termination
  • DNA polymerase I removes RNA primers and replaces them with DNA.
  • DNA ligase seals the gaps between fragments.
📌 Mnemonic for key enzymes:
"Helicase Unwinds, Primase Primes, Polymerase Builds, Ligase Seals."

3.4. Transcription: From DNA to RNA
Transcription is the process of copying DNA into RNA.

Stages of Transcription
1.Initiation
  • RNA polymerase binds to the promoter (TATA box in eukaryotes).
  1. Elongation
  • RNA polymerase synthesizes RNA in the 5’ → 3’ direction, using DNA as a template.
2.Termination
  • RNA polymerase reaches a stop signal and releases the RNA molecule.

3.5. Translation: From RNA to Protein
Translation is the process of protein synthesis based on mRNA information.

Stages of Translation
1.Initiation
  • The ribosome binds to mRNA at the start codon (AUG – methionine).
2.Elongation
  • tRNA brings amino acids corresponding to mRNA codons.
  • Peptide bonds form between amino acids.
3.Termination
  • A stop codon (UAA, UGA, UAG) ends translation.

5.Summary


• Proteins and nucleic acids are the main biopolymers of the cell.
• DNA stores genetic information, while RNA carries out its expression.
• Replication copies DNA, transcription synthesizes mRNA, and translation assembles proteins.
• Enzymes regulate these processes.