Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка

МОЛЕКУЛЯРНАЯ
БИОЛОГИЯ

РИБОСОМЫ
И БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

А. С. Спирин

Москва
Лаборатория знаний
2023

У Ч Е Б Н И К   Д Л Я   В Ы С Ш Е Й   Ш К О Л Ы

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
3-е издание, электронное

УДК 577.21(075.8)
ББК 28.070я73
С72

С е р и я
о с н о в а н а
в
2009 г.
Спирин А. С.
С72
Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка :
учебное пособие / А. С. Спирин. — 3-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2023. — 594 с. — (Учебник для
высшей школы). — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-649-0
Учебное пособие, написанное ведущим специалистом в данной области, посвящено структурным и функциональным аспектам биосинтеза белков. Книга охватывает часть общего курса молекулярной биологии, который автор на протяжении многих лет
читал на биологическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова.
Вместе с тем объем материала соответствует уровню требований кандидатского минимума по специальности «Молекулярная
биология».
Книга
совмещает
традиционное
последовательное
изложение и самые современные данные и не имеет аналогов
в мировой литературе.
Для студентов-биологов, аспирантов молекулярных биологов
и биохимиков, преподавателей вузов и научных работников.
УДК 577.21(075.8)
ББК 28.070я73

Деривативное
издание
на
основе
печатного
аналога:
Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка : учебное
пособие / А. С. Спирин. — 2-е изд. — М. : Лаборатория знаний,
2022. — 575 с. : ил., [16] с. цв. вкл. — (Учебник для высшей школы). — ISBN 978-5-93208-289-8.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-649-0
© Лаборатория знаний, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта 
книга 
(учебное 
пособие) 
написана 
выдающимся 
российским ученым, одним из основоположников науки о биосинтезе белка 
Александром Сергеевичем Спириным. В середине 1950 гг., еще будучи 
студентом и аспирантом А. Н. Белозерского, А. С. Спирин начал изучение нуклеотидного состава суммарной РНК различных организмов 
(теперь мы знаем, что это была преимущественно рибосомная РНК). 
Эти работы справедливо относят к основополагающим достижениям 
только что зарождавшейся в те годы главной науки второй половины XX в. — молекулярной биологии. Во-первых, было показано, что 
РНК, представленные в клетке в наибольшем количестве, закодированы в небольшой части генома. Во-вторых, Спириным и Белозерским 
было предсказано существование матричной РНК, в виде которой генетическая информация переносится от ДНК к белкам. На рубеже 
1950–1960 гг. А. С. Спириным совместно с американскими учеными 
Ж. Фреско и П. Доти были установлены основные принципы организации макромолекулярной структуры РНК, которые остаются незыблемыми и сейчас. В эти же годы уже в собственной лаборатории 
в Институте биохимии им. А. Н. Баха Александр Сергеевич приступает к изучению рибосом, их конформационной подвижности и сборки 
из РНК и белков. В 1967 г. А. С. Спирин создает в Пущино академический Институт белка, который становится одним из основных мировых центров по изучению структуры и функций рибосом. Научные 
достижения этого Института достаточно подробно представлены в этой 
книге, и это составляет одну из ее сильных сторон. Уже в год создания 
Института белка А. С. Спириным была сформулирована концепция, 
согласно которой образование каждой новой пептидной связи в синтезируемой рибосомой молекуле белка сопровождается периодическим 
смещением субъединиц рибосомы друг относительно друга. В последние десятилетия эта концепция нашла убедительное экспериментальное 
подтверждение. Она легла в основу представления о том, что, синтезируя белки, рибосома работает как молекулярная машина.
В 2000 г. в науке о рибосомах произошло выдающее событие: сразу в нескольких лабораториях методом рентгеноструктурного анализа 
была установлена пространственная структура бактериальных рибосом 
с атомным разрешением. Исследователи, изучавшие рибосому биохимическими и генетическими методами, получили возможность в деталях 
рассмотреть ее внутреннее устройство. А главное, у них появилась возможность соотнести с атомными моделями структуры огромный массив 
экспериментальных результатов, накопленных в течение предыдущих 
сорока лет (в т. ч. и данные о структуре рибосомы, полученные физическими методами с более низким разрешением). Со множеством таких 
сопоставлений читатель встретится на страницах этой книги.

Предисловие

Однако, параллельно с расшифровкой атомных структур рибосом 
из широкого круга биологических объектов с помощью рентгеновской 
кристаллографии (на сегодня их известно уже несколько десятков) все 
более очевидными становились серьезные проблемы, ограничивающие 
дальнейший прогресс в этой области. Как это неоднократно подчеркивает автор настоящей книги, в ходе синтеза полипептидной цепи рибосома, взаимодействуя с лигандами и факторами белкового синтеза, проходит через множество промежуточных состояний и претерпевает многие 
структурные изменения. Без знания атомной структуры этих интермедиатов глубокое понимание механизма процесса трансляции и управление 
им невозможны. Однако закристаллизовать такие комплексы удается 
только в редких случаях. И здесь большие надежды связывают с методом криоэлектронной микроскопии, который позволяет изучать биологические объекты в растворе в «рабочем состоянии». За последние несколько лет разрешающая способность этого метода выросла настолько, 
что в ближайшем будущем исследователи смогут работать с атомными 
структурами практически любых функциональных рибосомных комплексов. В своей книге А. С. Спирин уделяет этому методу достаточно 
много внимания. Тем не менее, мы настоятельно рекомендуем читателям ознакомиться с приведенными в списке литературы к Главе 18 
статьями И. Франка последних лет о перспективах приложения метода 
криоэлектронной микроскопии к расшифровке механизмов работы рибосомы. (В 2017 г. за развитие метода криоэлектронной микроскопии 
И. Франку была присуждена Нобелевская премия по химии.)
Учебники А. С. Спирина по рибосомам, на которых выросло не одно 
поколение молекулярных биологов (и не только в нашей стране, поскольку они не раз переводились на английский), имеют длинную историю. Сначала это были сравнительно небольшие по объему монографии. А в 1986 г. Александр Сергеевич задумал издание капитального 
трехтомного учебника по молекулярной биологии, к работе над которым он привлек группу ученых, читавших в Московском университете 
курсы лекций по различным ее разделам. Первый том под тем же названием, что и настоящая книга, он написал сам. Ее последнее издание 
вышло в 2011 г. Несколько лет назад А. С. Спирин включил в текст 
этой последней версии своего учебника некоторые новые данные. Тем 
не менее, пока шла работа над подготовкой ее рукописи к настоящему 
изданию, наука о биосинтезе белка продолжала бурно прогрессировать, 
и мы решили, с согласия автора, включить в текст учебника примечания, в которых упомянуты новые достижения науки о рибосомах, 
а также дополнить списки литературы ссылками на ключевые (в основном обзорные) работы последних лет. В этой работе приняли участие 
С. Дмитриев, П. А. Каменский, В. Широков и автор этого предисловия.

А. А. Богданов,
профессор МГУ им. М. В. Ломоносова,
2018 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Эта книга написана на основе курса лекций по структуре рибосом 
и биосинтезу белка, который я читаю студентам старших курсов биологического факультета Московского государственного университета. 
Лекции были частью основного курса по молекулярной биологии в течение более трех десятилетий, и они претерпели значительную эволюцию по мере развития знаний в этой области. Наука продолжает идти 
вперед, и читатели должны быть готовы к тому, что некоторые факты, 
утверждения и идеи, включенные в эту книгу, могут оказаться не совсем полными или не совсем современными. В любом случае книга 
является учебным руководством, а не исчерпывающим обзором. Она 
обеспечивает основу для знаний и развития текущих идей в этой области и дает примеры наблюдений и их объяснения. Я понимаю, что 
некоторые объяснения и выводы могут быть предварительными и спорными, но надеюсь, что это будет больше стимулировать размышления 
и обсуждение проблем, нежели белые пятна, которые могли бы быть 
оставлены в книге.
У книги есть прототип: это моя монография «Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка» (М.: Высшая школа, 1986). 
Здесь я в основном выдерживаю предыдущий порядок представления 
тем и подразделения на главы. Однако содержание было подвергнуто 
значительной ревизии и дополнено. Короткая вводная глава 1 теперь 
значительно расширена и включает историю открытия кодирующих 
и некодирующих РНК, перечисление как генетических, так и негенетических функций различных видов РНК, описание основных принципов макромолекулярной структуры РНК, а также изложение гипотезы 
о древнем мире РНК, его происхождении и эволюции в клеточные 
формы жизни. Главы по морфологии рибосомы (гл. 5), рибосомной 
РНК (гл. 6), терминации трансляции (гл. 13) и котрансляционному сворачиванию и трансмембранному транспорту белков (гл. 17) полностью 
переписаны в соответствии с новыми данными. Глава 7 по рибосомным 
белкам объединена с главой 8 и расширена новым материалом по четвертичной структуре рибосомы. Фактически заново написаны главы 
по контролю трансляции у прокариот (гл. 16) и у эукариот (гл. 17). 
Заключительная глава 18 об основных принципах структурной организации и функционирования рибосомы теперь включает в себя также рассмотрение рибосомы как молекулярной машины.
В этой книге (как и в предыдущей) литературные ссылки даны 
в основном с целью обучения, и, таким образом, список литературы, имеющийся в конце каждой главы, далеко не полный. Чтобы 
дать представление об истории открытий, я цитирую преимущественно пионерские исследования в обсуждаемой области, а чтобы обеспечить информацию о теперешних знаниях, я отсылаю читателя к не

Предисловие автора

которым недавним публикациям и обзорам. Во многих случаях при 
ссылках на работы коллективов авторов фамилии руководителей групп 
в списках литературы подчеркнуты, а в тексте дана соответствующая 
ссылка именно на руководителя работы. Кроме списков литературы 
в конце каждой главы, добавлены соответствующие ссылки в подписях ко многим иллюстрациям. Большая часть иллюстраций по структуре рибосом и их компонентов, расшифрованных в последнее время 
с помощью рентгеноструктурного анализа, снабжена также ссылками на идентификационный номер в международном банке белковых структур — Protein Data Bank (PDB ID). Книга содержит и много оригинальных иллюстраций, сделанных благодаря ценной помощи 
моих коллег в Институте белка РАН в Пущино. Я очень признателен 
моим коллегам — А. А. Богданову, В. Д. Васильеву, А. В. Ефимову, 
В. Н. Лузикову, Л. Л. Киселеву, В. А. Колбу, Л. П. Овчинникову, 
А. Г. Рязанову и А. В. Финкельштейну — за помощь в написании ряда 
глав этого учебника и их обсуждение. Хочу принести особую благодарность А. Коммеру за неоценимую помощь в приготовлении всего 
иллюстрационного материала книги, Т. Б. Кувшинкиной за большой 
вклад в составление и упорядочение списков литературы к каждой главе 
и Л. Н. Рожанской за повседневную техническую помощь.

А. С. Спирин,
академик РАН

ЧАСТЬ I. ВВОДНАЯ

ГЛАВА 1. 
МИР РНК И БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

1.1. 
Центральная догма молекулярной биологии

В 40-х гг. XX в., прежде всего на основе цитологических и биохимических наблюдений Касперсона (1941) и Браше (1941–1942), стало складываться представление, что ДНК, локализующаяся в ядрах клеток, 
в их хромосомах, самым тесным образом связана с аппаратом наследственности, а РНК — обязательный компонент клеточной цитоплазмы, ответственный за биосинтез белка. Прямые эксперименты Эйвери, 
МакЛеод и МакКарти (1944) доказали, что чистая, изолированная 
из клеток ДНК может быть носителем наследственных признаков организма. Все большее количество исследователей — в первую очередь 
биохимиков и цитологов — начинали склоняться к мысли, что ДНК 
или ее комплексы с белком могут быть основными носителями генетической информации, а РНК — посредником, воспринимающим эту 
информацию от ДНК и реализующим ее в виде биосинтеза белков.
К началу 1950-х гг. Чаргафф установил факт видовой специфичности состава ДНК, показав, что соотношения четырех сортов ее мономеров — гуанилового (G), аденилового (А), цитидилового (C) и тимидилового (Т) — различаются у разных видов организмов. Этот факт 
прямо соответствовал предполагавшейся генетической роли ДНК. При 
этом были найдены также интересные закономерности в нуклеотидном составе ДНК, названные «правилами Чаргаффа»: независимо 
от видовых различий, во всех ДНК количество G было равно количеству С, а количество А — количеству Т (G = С, А = Т). В 1953 г. 
Уотсон и Крик, используя эти экспериментальные данные по химическому составу ДНК, а также результаты рентгеноструктурных анализов ориентированных нитей ДНК, указавших на спиральный характер 
укладки полимерных молекул ДНК (Уилкинс и Фрэнклин), предложили модель макромолекулярной структуры ДНК. Это была двойная 
спираль, где две полимерные нити ДНК закручены друг относительно друга вокруг общей оси и удерживаются вместе за счет парных 
взаимодействий G с С и А с Т (рис. 1.1). Непосредственно из этой 
структуры вытекал механизм ее точного воспроизведения, что впервые дало объяснение воспроизведению генов в процессах размножения и наследственности. Так полвека назад родилась новая наука — 
молекулярная биология.
В основе воспроизведения (редупликации) структуры ДНК лежит так 
называемый принцип комплементарности: в двойной спирали две полимерных цепи ДНК связаны друг с другом бок о бок водородными 

Глава 1

связями при образовании пар G : С, С : G, А : Т и Т : А (здесь и далее 
нековалентные связи будут обозначаться двоеточиями). Если две цепи 
двойной спирали расходятся, то на каждой из них может строиться (полимеризоваться) новая комплементарная цепь, так что напротив G исходной цепи установится С новой цепи, напротив С старой цепи — G 
новой цепи, напротив А — Т, а напротив Т — А; в результате получатся 
две дочерние двойные спирали, полностью идентичные исходной — материнской (рис. 1.1, А).
РНК химически подобна ДНК. В обоих случаях это линейные, неразветвленные полимеры нуклеотидов с пентозофосфатным остовом 
и четырьмя типами азотистых (пуриновых и пиримидиновых) оснований в качестве боковых групп. Существует только два небольших 
отличия цепи РНК от одиночной цепи ДНК: 1) пятиуглеродный сахар (пентоза) в РНК представлен рибозой, а в ДНК — его производным 2'-дезоксирибозой; 2) один из двух пиримидиновых нуклеотидов 
в РНК представлен уридиловым остатком (U), вместо его метилиро
Рис. 1.1. Схема двойной спирали ДНК, ее комплементарной редупликации (А) 
и комплементарного синтеза РНК на одной из цепей ДНК (транскрипции) (Б)

Мир РНК и биосинтез белков
9

ванного производного Т в ДНК. Тот же вышеупомянутый принцип 
комплементарности обеспечивает механизм репликации РНК на матрице ДНК. Разница лишь в том, что РНК полимеризуется только на одной из двух разошедшихся цепей двойной спирали ДНК 
(рис. 1.1, Б). Разумеется, при синтезе РНК напротив А цепи ДНК 
становится уридиловый рибонуклеотид (U), вместо тимидилового дезоксирибонуклеотида (T) при синтезе ДНК. Реплицирующаяся цепь 
РНК, таким образом, оказывается точной копией противоположной 
цепи ДНК, с заменой Т на U. Процесс репликации сопровождается 
отделением цепи РНК от ДНК. В результате такой репликации РНК 
образуется как гибкий одноцепочечный полимер, в отличие от жесткой двойной спирали ДНК.
Цепи РНК — копии определенных функциональных отрезков цепи 
ДНК — генов, они призваны служить матрицами для синтеза другого типа полимеров — полипептидных цепей белков. Поскольку 
белки состоят из двадцати разных сортов мономеров (аминокислот), 
а РНК — только из четырех сортов мономеров (нуклеотидов), то детерминация аминокислотной последовательности полипептидной цепи 
нуклеотидной последовательностью РНК требует того, чтобы каждая 
аминокислота кодировалась комбинацией из нескольких — не менее 
трех — нуклеотидов. Действительно, именно триплетный код был 
сначала постулирован на основании теоретических соображений, а затем и доказан экспериментально. Таким образом, за РНК была прочно признана генетическая роль посредника между генами и белками: 
с одной стороны, РНК представлялась как совокупность копий генов, 
т. е. копий отрезков ДНК, а с другой — как непосредственные матрицы, последовательности нуклеотидных триплетов которых кодируют 
аминокислотные последовательности полипептидных цепей в процессе синтеза белков. Вышесказанное и представляет собой «центральную 
догму молекулярной биологии», сформулированную Криком и выраженную в виде схемы «ДНК → РНК → белок», где стрелки обозначают необратимый поток информации от ДНК через РНК к белку 
(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Центральная догма молекулярной биологии

Глава 1

1.2. 
Кодирующие и некодирующие РНК

Ко второй половине 1950-х гг. уже было установлено, что синтез белков в живых клетках осуществляется рибонуклеопротеидными частицами — рибосомами и что РНК, присутствующая в рибосомах в качестве 
их основного компонента (рибосомная РНК), представляет собой подавляющую часть тотальной РНК клетки. Было довольно логично предположить, что именно полирибонуклеотидные цепи рибосомных РНК 
служат матрицами для синтеза белков. «Долго считалось, что структурная информация переносится от генов к стабильным матрицам, таким 
как рибосомная РНК, копирующим гены и поддерживающим в цитоплазме информацию, необходимую для синтеза белков. Каждый ген, как 
полагали, детерминирует образование геноспецифических рибосомных 
частиц, которые в свою очередь и обеспечивают синтез определенного 
белка (Крик, 1958)» (Жакоб и Моно, 1961, с. 195).
Для проверки этого предположения было проведено параллельное 
с ДНК определение нуклеотидного состава тотальных РНК у тех же видов бактерий, среди которых было найдено большое разнообразие состава ДНК (Спирин, Белозерский и др., 1957; Белозерский и Спирин, 
1958, 1960). Вопреки ожиданию, что основная масса клеточной РНК, 
как предполагаемый посредник в переносе генетической информации 
от ДНК к белкам, должна по своему нуклеотидному составу копировать нуклеотидный состав ДНК своего организма (лишь с заменой тимина на урацил), оказалось, что состав тотальной РНК не повторяет 
состава ДНК и вообще эволюционно гораздо более стабилен по сравнению с ДНК (табл. 1.1). Этот результат вызвал сенсацию в научном 
мире. В 1959 г. Крик констатировал: «Проблема кодирования к настоящему времени прошла три фазы. На первой фазе — фазе блужданий — были сделаны различные предположения, но ни одно не было 
достаточно точным, чтобы выдержать возражения. Вторая фаза — оптимистическая — была начата Гамовым в 1954 г.; он был достаточно 
смел, чтобы предложить довольно точный код. Это стимулировало ряд 
исследователей к тому, чтобы показать некорректность его предположений и тем самым несколько способствовало точности мышления 
в этой области. Третья фаза — фаза замешательства — была инициирована статьей Белозерского и Спирина в 1958 г. Представленные там 
свидетельства показали, что наши идеи во многих важных отношениях 
были слишком упрощенными» (Крик, 1958, с. 35). Описывая создавшуюся ситуацию, Жакоб и Моно добавляют следующее к тому, что 
было процитировано выше относительно предположения о кодирующей роли рибосомной РНК: «В последние годы, однако, эта гипотеза 
столкнулась с несколькими трудностями. Прежде всего, различия в нуклеотидном составе, найденные в ДНК различных видов бактерий, как 
оказалось, не отражаются в нуклеотидном составе рибосомной РНК 
(Belozersky and Spirin, 1960)» (Жакоб и Моно, 1961, с. 195). Таким образом, все оказывалось сложнее, чем первоначально постулировалось 
«центральной догмой молекулярной биологии» в ее первоначальном