Биосинтез нуклеиновых кислот и белков (матричные биосинтезы). Основы молекулярной

раздел 1). К группе структурных и регуляторных белков, которые постоянно 
ассоциированы с хроматином, относят белки высокой подвижности 
(HMG-
белки 
— от англ. 
high mobility gel proteins). 
Они имеют молекулярную массу 
менее 30 кД и характеризуются высоким содержанием заряженных 
аминокислот. Благодаря небольшой молекулярной массе HMG-белки 
обладают высокой подвижностью при электрофорезе в по-лиакриламидном 
геле. К негистоновым белкам принадлежат также ферменты репликации, 
транскрипции и репарации. При участии структурных, регуляторных белков 
и ферментов, участвующих в синтезе ДНК и РНК, нить нуклео-сом 
преобразуется в высоко конденсированный комплекс белков и ДНК. 
Образованная структура в 10 ООО раз короче исходной молекулы ДНК. 
В.
Г
ЕНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИТОХОНДРИЙ
Митохондрии — важнейшие органеллы клеток, осуществляющие синтез 
АТФ за счёт окисления субстратов. Митохондрии имеют собственный 
уникальный геном, наследуемый по материнской линии, так как он 
происходит из цитоплазмы яйцеклетки. Геном митохондрий сперматозоидов 
не попадает в оплодотворённую яйцеклетку. 
Митохондриальный геном человека представлен одной кольцевой 
молекулой ДНК из 16 569 нуклеотидных пар (рис. 4-9). Он кодирует 13 
белков, 
используемых 
на 
построение 
структурно-функциональных 
компонентов митохондрий. 
В митохондриях отсутствуют ферменты, ответственные за репарацию, 
поэтому митохондриальный геном содержит немало ошибок. Митохондрии 
эукариотов имеют очень маленькие рибосомы с константой седиментации 
55S, тогда как рибосомы прокариотов — 70S. 
Г.
С
ТРУКТУРА РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ 
(РНК) 
Первичная 
структура 
РНК 
— 
порядок 
чередования 
рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в по- линуклеотидной цепи. В РНК, как 
и в ДНК, нук-леотиды связаны между собой 3',5'-фосфо-диэфирными 
связями. Концы пол и нуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном 
конце находится фосфорилированная ОН-группа 5'-угле-родного атома, на 
другом конце — ОН-группа З'-углеродного атома рибозы, поэтому концы на-
зывают 5'- и З'-концами цепи РНК. Гидроксиль-ная группа у 2
/
-углеродного 
атома рибозы делает молекулу РНК нестабильной. Так, в слабощелочной 
среде молекулы РНК гидролизуются даже при нормальной температуре, 
тогда как структура цепи ДНК не изменяется. 
Вторичная структура РНК 
Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной 
цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли — 
«шпильки», за счёт водородных связей между комплементарными 
азотистыми основаниями А-
и 
и в-С. Участки цепи РНК в таких спиральных 
структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны, в 
них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже од- 
ноцепочечные петли, не вгшсыгающиеся в двойную спираль. Наличие 
спирализованных участков характерно для всех типов РНК. 
Третичная структура РНК 
Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной 
третичной 
структурой, возникающей путём взаимодействия спи-
рализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование 
дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, 
достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами 
остатков рибозы и основаниями. Третичная структура РНК стабилизирована 

---

ионами двухвалентных металлов, например ионами М^
2+
, связывающимися 
не только с фосфатными группами, но и с основаниями. 
Основные типы РНК 
В цитоплазме клеток присутствуют 3 типа рибонуклеиновых кислот — 
транспортные РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и рибосомаль-ные РНК 
(рРНК). Они различаются по первичной структуре, молекулярной массе, 
конфор-мации, продолжительности жизни и, самое главное, по 
функциональной активности. 
Транспортные РНК (тРНК) 
Пространственную структуру любых тРНК, независимо от различий в 
последовательности нук-леотидов, описывают универсальной моделью 
«клеверного листа» (рис. 4-10). В каждой молекуле тРНК есть участки цепи, 
не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными 
остатками. К ним, в частности, относят участок, ответственный за 
связывание с аминокислотой на З'-конце молекулы и антикодон — 
специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с 
кодоном мРНК. 
В состав нуклеотидов тРНК входят минорные основания (в среднем 10—12 
оснований на молекулу). Они представлены метилированными основаниями, 
изомерами и аналогами пи-римидинов (рис. 4-11). 
Минорные основания выполняют 2 функции: они делают тРНК устойчивыми 
к действию нук-леаз цитоплазмы и поддерживают определённую третичную 
структуру молекулы, так как не могут участвовать в образовании 
комплементарных пар, и препятствуют спирализации определённых 
участков в полинуклеотидной последовательности тРНК. 
Матричные РНК (мРНК) 
Первичная 
структура 
всех 
мРНК, 
независи- 
мо 
от 
уникальности 
их 
кодирующей 
последо- 
вательности, 
имеет 
одинаковое 
строение 
5'- 
и 
З'-концов. 
Так, 
на 
5'- 
конце 
присутствует 
мо- 
дифицированный 
нуклеотид 
7-метилгуанозин- 
5'-трифосфат 
(кэп). 
Несколько 
десятков 
нук- 
леотидов 
отделяют 
кэп 
от 
инициирующего 
кодона, 
обычно 
это 
триплет 
-AUG-. 
За 
коди- 
рующим 
участком 
следует 
один 
из 
терминиру- 
ющих кодонов - 
UGA-, -UUA-, -UAG-. 
На 
З'-конце большинства мРНК присутствует последовательность нуклеотидов 
из 100—200 аде-нозинмонофосфатных остатков. 
Рибосомальные РНК (рРНК) 
Рибосомальные РНК имеют многочисленные спирализованные участки. 
Различают рРНК — 5S, 5,8S, 28S и 18S (S — коэффициент седиментации). 
Рибосомальные РНК содержат несколько модифицированных нуклеотидов, 
чаще всего это метилированные производные азотистых оснований или 
рибозы (2'-метилрибоза). рРНК образуют комплексы с белками, которые 
называют рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц — 
малой (408) и большой (608). Субъединицы рибосом различаются не только 
набором рРНК, но и количеством и структурой белков (рис. 4-12).
Г
ИБРИДИЗАЦИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Вторичная структура нуклеиновых кислот образуется за счёт слабых 
взаимодействий — водородных и гидрофобных. Поэтому если водный 

---

раствор ДНК нагреть до 100 °С, то связи, удерживающие две цепи двойной 
спирали вместе, разрушаются. В результате разрыва водородных и 
гидрофобных связей цепи ДНК расходятся. Этот процесс называют 
«денатурация». 
Однако если раствор, содержащий денатурированную ДНК, 
очень медленно охлаждать, то могут получиться двухспиральные структуры, 
идентичные исходным. Такой процесс получил название 
«ренативация». 
На явлении денатурации и ренативации основан метод, называемый 
«молекулярная гибридизация». 
Процесс гибридизации может осуществлять-
ся между двумя любыми цепями нуклеиновых кислот (ДНК-ДНК, ДНК-РНК) 
при условии, что они содержат комплементарные последовательности 
нуклеотидов. 
Такие 
гибридные 
структуры 
можно 
выделить 
центрифугированием в градиенте плотности сахарозы или наблюдать в 
электронном микроскопе (рис. 4-13). 
Если раствор, содержащий образцы ДНК 1 и 2, выделенные из организмов 
разных видов, денатурировать, а затем провести ренатива-цию, то 
образуются двухспиральные структуры. Но наряду с исходными ДНК 1 и 
ДНК 2 образуются гибридные двойные спирали, содержащие цепь ДНК 
образца 1 и цепь ДНК образца 2, где присутствуют как спирализо-ванные, 
так и неспирализованные участки. В неспирализованных участках фрагменты 
цепей ДНК не комплементарны, т.е. в ходе гибридизации получаются 
несовершенные гибриды. Методом молекулярной гибридизации можно 
установить: 
•
сходство и различие первичной структуры разных образцов нуклеиновых 
кислот; 
•
различие ДНК, выделенных из организмов разных видов; 
образуются гибридные двойные спирали, содержащие цепь ДНК образца 1 и 
цепь ДНК образца 2, где присутствуют как спирализо-ванные, так и 
неспирализованные участки. В неспирализованных участках фрагменты це-
пей ДНК не комплементарны, т.е. в ходе гибридизации получаются 
несовершенные гибриды. Методом молекулярной гибридизации можно 
установить: 
•
сходство и различие первичной структуры разных образцов нуклеиновых 
кислот; 
•
различие ДНК, выделенных из организмов разных видов; 
•
РЕПЛИКАЦИЯ 
•
Живые организмы в течение 8-фазы клеточного цикла, которая 
предшествует делению клетки, удваивают содержание ДНК таким образом, 
что каждая дочерняя клетка после деления получает набор хромосом, 
идентичный родительской клетке. Процесс удвоения хромосом называют 
репликацией (редупликацией). 
•
Хромосома содержит одну непрерывную двухцепочечную молекулу ДНК. 
При репликации каждая цепь родительской двухцепочеч-ной ДНК служит 
матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная 
двойная спираль имеет одну исходную (родительскую) и одну вновь 
синтезированную (дочернюю) цепь. Такой механизм удвоения ДНК получил 
название «полуконсервативная репликация» (рис. 4-14). Первичная структура 
дочерней цепи определяется первичной структурой родительской цепи, 
потому что в основе её образования лежит принцип комплементарно-сти 
оснований (в = С и А = Т). 
•
Ферменты и белки, участвующие в репликации, должны работать быстро 
и точно. Эти условия выполняются с помощью особого муль-тиферментного 
комплекса. 
•
Репликацию можно разделить на 4 этапа: образование репликативной 
вилки (инициация), синтез новых цепей (элонгация), исключение праймеров, 
завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК (терминация). 
•
А.
И
НИЦИАЦИЯ РЕПЛИКАЦИИ
Синтез ДНК у эукариотов происходит в Б-фазу клеточного цикла. 
Инициацию репликации регулируют специфические сигнальные белковые 

---

молекулы — факторы роста. Факторы роста связываются рецепторами 
мембран клеток, которые передают сигнал, побуждающий клетку к началу 
репликации (см. раздел 11). 
Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК может произойти только при 
расхождении родительских цепей. В определённом сайте (точка начала 
репликации) происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и 
образуются две репликативные вилки, движущиеся в противоположных 
направлениях. 
В образовании репликативной вилки принимает участие ряд белков и 
ферментов. Так, семейство ДНК-топоизомераз (I, II и III), обладая 
нуклеазной активностью, участвует в регуляции суперспирализации ДНК. 
Например, ДНК-то-поизомераза 
I 
разрывает фосфоэфирную связь в одной из 
цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5'-концу в точке 
разрыва (рис. 4-15). По окончании формирования репликативной вилки 
фермент ликвидирует разрыв в цепи и отделяется от ДНК. 
Разрыв водородных связей в двухцепочечной молекуле ДНК осуществляет 
ДНК-хеликаза. Фермент ДНК-хеликаза использует энергию АТФ для 
расплетения двойной спирали ДНК. 
В результате происходит раскручивание участка суперспирализованной 
молекулы ДНК. В поддержании этого участка ДНК в раскрученном 
состоянии участвуют SSB-белки (от англ. 
single strand binding proteins, 
т.е. 
белки, связывающиеся с одноцепочечными нитями ДНК). SSB-белки, не 
закрывая азотистых оснований, связываются с одноцепочечной ДНК по всей 
длине разделившихся цепей и таким образом предотвращают их 
комплементарное скручивание и образование «шпилек». Они обладают 
большим сродством к одноцепочечным участкам ДНК, независимо от 
первичной структуры цепей. 
Б.
Э
ЛОНГАЦИЯ
Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами 
(рис. 4-16). Субстратами и источниками энергии для синтеза продукта 
служат 4 макроэргических соединения — дезоксирибонуклеозидтрифосфаты 
дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, для активации которых необходимы ионы 
магния. Нейтрализуя отрицательный заряд нуклеотидов, они повышают их 
реакционную способность. Ферменты проявляют каталитическую активность 
только 
в 
присутствии 
предварительно 
раскрученной 
матричной 
двухцепочечной ДНК. Синтез цепей ДНК происходит в направлении 5'-»3' 
растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному З'-
ОН-концу предшествующего нуклеотид -ного остатка. Синтезируемая цепь 
всегда анти-параллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 
дочерние цепи, представляющие собой копии матричных цепей. 
В синтезе эукариотических ДНК принимают участие 5 ДНК-полимераз (а, р, 
у, 5, е). 
ДНК-полимеразы 
различают по числу субъединиц, молекулярной 
массе, ассоциации с разными вспомогательными белками, ускоряющими 
процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы 
а (альфа), р (бета), 5 (дельта), е (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре 
клеток, ДНК-полимераза у (гамма) — в репликации митохондриальной ДНК. 
ДНК-полимеразы р, 5, е не могут инициировать образование дочерних 
цепей, так как не имеют сродства к одиночной нити ДНК. Инициирует 
репликацию ДНК-полимераза а, которая комплементарна определённому 
сайту одноцепо-чечной ДНК. Присоединяясь к нему, ДНК-полимераза а 
синтезирует небольшой фрагмент РНК — праймер, состоящий из 8—10 
рибонукле-отидов. ДНК-полимераза а состоит из четырёх субъединиц. 
Каждая из субъединиц фермента выполняет определённую функцию: 
«узнавание» сайта репликации, синтез праймера (8—10 рибо-нуклеотидов), 
синтез фрагмента цепи ДНК, около 50 дезоксирибонуклеотидов. Таким 
образом, ДНК-полимераза а синтезирует олигонуклеотид, содержащий 
примерно 60 нуклеотидных остатков; первые 8—10 представлены 
рибонуклеотида-ми (праймер), а остальные — дезоксирибонукле-отидами. 
ДНК-полимераза 
6 

---

Олигонукл еотид, синтезированный ДНК-по-лимеразой а и образующий 
небольшой двухцепочечный фрагмент с матрицей, позволяет при-
соединиться ДНК-полимеразе 5 и продолжить синтез новой цепи в 
направлении от 5'- к 3'-концу по ходу раскручивания репликативной вилки. 
ДНК-полимераза 5 последовательно наращивает цепь, шаг за шагом 
присоединяя к ней соответствующие дезоксинуклеотиды. Выбор ДНК-
полимеразой 5 очередного нуклеотида определяется матрицей. Включение 
дезоксири-бонуклеозидмонофосфатов в растущую цепь ДНК сопровождается 
гидролизом макроэргичес-ких связей соответствующих нуклеозидтрифос-
фатов и отщеплением пирофосфата (Н
4
Р
2
0
7
). Энергия макроэргических 
связей расходуется на образование 3',5'-фосфодиэфирной связи между 
последним нуклеотидом растущей цепи ДНК и присоединяемым 
нуклеотидом. Включение нуклеотида в синтезируемую цепь ДНК невоз-
можно без предварительного связывания азотистого основания водородными 
связями с комплементарным нуклеотидом матричной цепи. 
ДНК-полимеразы (а, р, у, 5, е) могут синтезировать нуклеотидную цепь 
только в направлении 5'->3', матричная цепь всегда считывается в 
направлении 3'->5'. 
В каждой репликативной вилке идёт одновременно синтез двух новых 
(дочерних) цепей. Направление синтеза цепи ДНК совпадает с направлением 
движения репликативной вилки лишь для одной из вновь синтезируемых 
цепей 
(лидирующая цепь). 
На второй матричной цепи синтез дочерней ДНК 
осуществляется двумя ферментами: ДНК-полимеразой а и ДНК-полимеразой 
е в направлении 5'->3', но против движения репликативной вилки. Поэтому 
вторая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами, которые 
называют 
«фрагменты Оказа-ки» 
(по имени открывшего их исследователя). 
Дочерняя цепь ДНК, синтез которой происходит фрагментами, называют 
отстающей цепью. Каждый фрагмент Оказаки, примерно 100 нук-леотидных 
остатков, содержит праймер. Прай-меры удаляет ДНК-полимераза р, 
постепенно 
отщепляя с 5'-конца фрагмента по одному ри-бонуклеотиду. К ОН-группе на 
З'-конце предыдущего фрагмента ДНК-полимераза (3 присоединяет 
дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру и 
таким 
образом 
заполняет 
брешь, 
возникающую 
при 
удалении 
рибонуклеотидов. 
Фермент 
ДНК-лигаза 
катализирует образование фосфодиэфирной связи 
между З'-ОН-груп-пой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5'-
фосфатом следующего фрагмента. Реакция протекает с затратой энергии 
АТФ. Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется 
непрерывная цепь ДНК. 
В.
О
РИДЖИНЫ РЕПЛИКАЦИИ
ДНК хромосомы человека содержит примерно 150 млн пар нуклеотидов. 
Репликация такой большой молекулы со скоростью 50 нуклеотидов в минуту 
шла бы примерно 800 ч. Поэтому инициация синтеза ДНК происходит в 
нескольких сайтах хромосомы, которые называют сайтами инициации 
репликации, или 
ориджинами 
(от англ. 
origin — 
происхождение) репликации 
(рис. 4-17). Термин «сайт» используют для обозначения любого участка 
генома. Ориджины репликации имеют определённую нуклеотидную 
последовательность. Последовательность ДНК, ограниченную двумя 
ориджинами репликации, называют единицей репликации, или 
репликоном. 
На ориджи-нах при участии ДНК-топоизомеразы I инициируется 
двунаправленная репликация. Образуются две репликативные вилки, 
перемещающиеся в противоположных направлениях до тех пор, пока не 
встретятся со следующим репликоном, т.е. репликация прекращается, когда 
встречаются две репликативные вилки. 
Метилирование ДНК 
После завершения репликации происходит метилирование нуклеотидных 
остатков 
вновь 
образованных 
цепей 
ДНК. 
Метальные 
группы 

---

присоединяются ко всем остаткам аденина в последовательности 
-GATC-, 
при этом образуется Ng-метиладенин, а также возможны метилирование 
цитозина в последовательности -GC-и образование К
5
-метилцитозина. 
Количество 
метилированных 
оснований 
равно 
примерно 
1—8%. 
Модификация происходит при участии ферментов, использующих в качестве 
источника метальных групп S-аденозилметионин (SAM) (см. раздел 9). 
Присоединение метильных групп к остаткам аденина и цитозина не нарушает 
комплементарности цепей (рис. 4-18). 
Наличие метальных групп в цепях ДНК необходимо для формирования 
структуры хромосом, а также для регуляции транскрипции генов. В течение 
непродолжительного времени в молекуле ДНК последовательности -GATC-
метилированы по аденину только в матричной, но не в новой цепи. Это 
различие используется ферментами репарации для исправления ошибок, 
которые могут возникать при репликации. 
Г.
С
ТРОЕНИЕ 
3'- 
и 
5
'-концов 
ЦЕПЕЙ 
ДНК.
Т
ЕЛОМЕРНАЯ 
ДНК 
На каждом конце хромосомы присутствует специфическая нуклеотидная 
последовательность. Она представлена многочисленными повторами (сотни 
или даже тысячи раз) олигонуклеотидов 
-СвСТТА-, 
называемых теломерной 
последовательностью, или просто теломерной ДНК. Наличие теломер 
необходимо для завершения репликации концевых информативных 
последовательностей хромосом, т.е. для сохранения генетической 
информации. 
После завершения репликации хромосомы 5'-концы дочерних цепей ДНК 
недостроены, так как после удаления праймеров эти фрагменты оказываются 
недореплицированными. Это происходит потому, что ДНК-полимераза р, 
отвечающая за заполнение бреши, образованной после удаления праймера, 
не может вести синтез цепи ДНК от 
У- 
к 5'-концу (рис. 4-19, 
А). 
Таким 
образом, в ходе каждого цикла репликации 5'-концы синтезированных цепей 
укорачиваются. Но такие потери не представляют опасности для 
генетической информации хромосом, потому что укорочение ДНК идёт за 
счёт тело-мер. Во время следующего цикла репликации 5'-концы цепей ДНК 
опять остаются недостроенными. Таким образом, с каждым клеточным 
делением ДНК хромосом будут последовательно укорачиваться. Укорочение 
теломер в большинстве клеток по мере их старения — важный фактор, 
определяющий продолжительность жизни организма. 
Однако в эмбриональных и других быстро-делящихся клетках потери 
концов хромосом недопустимы, потому что укорочение ДНК будет 
происходить очень быстро. В эукариотических клетках имеется фермент 
теломераза 
(нуклео-тидилтрансфераза), обеспечивающий восстановление 
недореплицированных 5'-концов. К особенностям этого фермента относят 
присутствие в качестве простетической группы РНК. Фрагмент РНК в 
активном центре тело-меразы служит матрицей при синтезе теломер -ных 
повторов хромосом. 
С помощью РНК фермент комплементарно прикрепляется к З'-концу 
недостроенной 
дочерней 
цепи 
ДНК. 
Теломераза 
по 
принципу 
комплементарности последовательно удлиняет З'-конец цепи ДНК на один 
гексануклеотид -СССТТА-. Синтез всегда идёт от 5'- к З'-концу. Затем 
теломераза смещается по цепи ДНК на один теломер и начинает синтез 
нового фрагмента -СССТТА- (рис. 4-19, Б). 
В большинстве соматических клеток теломераза неактивна, так как 
соматическая клетка имеет длину теломерной ДНК, достаточную для време-
ни жизни клетки и её потомства. Однако небольшую активность теломеразы 
обнаруживают в клетках с высокой скоростью обновления, таких как 
лимфоциты, стволовые клетки костного мозга, клетки эпителия, эпидермиса 
кожи и др. 

---