Основы биохимии Ленинджера : в 3 т. Т. 3 : Пути передачи информации

ОСНОВЫ БИОХИМИИ
ЛЕНИНДЖЕРА

David L. Nelson
Professor Emeritus of Biochemistry
University of Wisconsin–Madison

Michael M. Cox
Professor of Biochemistry
University of Wisconsin–Madison

LEHNINGER 
PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY

Seventh Edition

w  
w  .h .freeman
Macmillan Learning
Macmillan Learning
New York
New York

ОСНОВЫ БИОХИМИИ 
ЛЕНИНДЖЕРА

3

Д. Нельсон, М. Кокс

ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК

В трех томах

ПУТИ ПЕРЕДАЧИ 
ИНФОРМАЦИИ 

5е издание,
переработанное и дополненное, 
электронное

Москва
Лаборатория знаний
2022

Перевод с английского

УДК 578.1
ББК 28.072я73
Н49

С е р и я
о с н о в а н а
в
2006 г.
П е р е в о д ч и к: канд. хим. наук Т. П. Мосолова
Нельсон Д.
Н49
Основы биохимии Ленинджера : в 3 т. Т. 3 : Пути передачи
информации / Д. Нельсон, М. Кокс ; пер. с англ. — 5-е изд.,
перераб. и доп., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2022. —
441 с. — (Лучший зарубежный учебник). — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-93208-609-4 (Т. 3)
ISBN 978-5-93208-606-3
Перевод седьмого оригинального издания всемирно известного учебника, написанного талантливыми американскими учеными-педагогами, который отражает стремительное развитие современной биохимии и включает
основные достижения, помогающие осветить важные аспекты этой науки.
В том 3 вошли часть III «Пути передачи информации», краткие решения
задач и ответы на вопросы, предметно-именной указатель по материалу
томов 1–3, а также принятые сокращения и словарь терминов. Обсуждаются
основная догма молекулярной биологии и ее современное понимание,
процессы передачи и хранения генетической информации (репликация,
транскрипция, трансляция, репарация и рекомбинация), строение хромосом,
механизмы ферментативных процессов, функции различных РНК в клетке,
рибозимы, сплайсинг, альтернативный сплайсинг, процессинг. Подробно
описаны биосинтез белка, его транспорт к месту назначения и системы
расщепления в клетках; регуляция экспрессии генов у бактерий и эукариот.
В каждой главе приведены примеры из медицины, молекулярной биологии
и смежных областей, а также интересные задания и вопросы.
Для студентов и аспирантов биологических, химических, медицинских
вузов и для научных работников.
УДК 578.1
ББК 28.072я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы биохимии Ленинджера : в 3 т. Т. 3 : Пути передачи информации / Д. Нельсон,
М. Кокс
;
пер. с англ. — 5-е
изд.,
перераб.
и
доп. — М.
:
Лаборатория знаний, 2022. — 434 с. : ил. — (Лучший зарубежный учебник). —
ISBN 978-5-00101-310-5 (Т. 3); ISBN 978-5-00101-307-5.

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 978-5-93208-609-4 (Т. 3)
ISBN 978-5-93208-606-3

Lehninger Principles of Biochemistry 7 Ed
First published in United States by W. H. Freeman
and Company

©
Copyright
2017, 2013, 2008, 2005 by W. H. Freeman
and Company. All rights reserved
Основы биохимии Ленинджера 7-е издание
Впервые опубликовано в США издательством
W. H. Freeman and Company

© 2017, 2013, 2008, 2005 by W. H. Freeman
and Company. Все права защищены

© Перевод на русский язык, Лаборатория знаний,
2017

ЧАСТЬ III

Т

ретья, заключительная, часть книги посвящена 
биохимическим 
механизмам, 
лежащим в основе явно противоречивых 
требований: передачи наследственной информации и эволюции живых организмов. Какова 
молекулярная основа генетического материала? Как генетическая информация с высокой 
точностью передается из поколения в поколение? Как возникают редкие изменения в генетическом материале, которые лежат в основе 
эволюционных процессов? Как генетическая 
информация превращается в аминокислотные 
последовательности множества самых разных 
белков живой клетки?
Современное понимание метаболических 
путей передачи информации сформировалось 
на стыке генетики, физики и химии — основ 
современной биохимии. Оно воплотилось 
в открытие двойной спиральной структуры 
ДНК, постулированной Джеймсом Уотсоном и 
Фрэнсисом Криком в 1953 г. (см. рис. 8-13, т. 1). 
Генетическая теория помогла сформировать 
концепцию кодирования информации в генах. Физика с помощью рентгеноструктурного 
анализа позволила определить молекулярную 
структуру гена. Химия выявила состав ДНК. 
Особая ценность гипотезы Уотсона–Крика заключается в том, что она смогла обобщить разнообразные наблюдения, полученные в результате исследований в этих различных научных 
дисциплинах.

Революция в наших представлениях о 
структуре ДНК неизбежно вызвала вопросы о 
ее функциях. Двойная спиральная структура 
сама подсказала механизм копирования ДНК, 
позволяющий передавать из поколения в поколение закодированную информацию. Открытие 
матричной и транспортной РНК, а также расшифровка генетического кода позволили понять, как ДНК преобразуется в функциональные белки.
Эти и другие открытия позволили сформулировать основную догму молекулярной 
биологии, отражающую три главных процесса 
обработки генетической информации в клетке. 
Первый процесс — репликация — копирование 
родительской ДНК и образование на основе 
материнской ДНК молекулы дочерней ДНК 
с идентичной последовательностью. Второй 
процесс — транскрипция, в результате которого часть генетической информации, закодированной в ДНК, превращается в молекулы РНК. 
Третий процесс — трансляция, при котором 
генетическая информация, закодированная в 
РНК, переносится на рибосомы, где транслируется в полипептид с определенной последовательностью аминокислот.
В части III обсуждаются эти и другие процессы, связанные с передачей информации. В гл. 24 
мы рассмотрим структуру, топологию и упаковку 
хромосом и генов. Процессы, лежащие в основе 
догмы, рассматриваются в гл. 25–27. В заключе
 24 Гены и хромосомы  7

 25 Метаболизм ДНК  45

 26 Метаболизм РНК  107

 27 Метаболизм белка  163

 28 Регуляция экспрессии генов  229

Пути передачи 
информации

[6] Часть III. Пути передачи информации

ние мы рассмотрим процесс регуляции экспрессии генетической информации (см. гл. 28). 
Важнейший вопрос, обсуждающийся во 
всех этих главах, касается сложных процессов 
биосинтеза информационных макромолекул. 
Сборка нуклеотидов и аминокислот в определенные последовательности нуклеиновых кислот и белков служит для сохранения и точного 
копирования матрицы, а ведь на этом основана 
сама жизнь. Можно подумать, что образование фосфодиэфирных связей в ДНК или пептидных связей в белках — тривиальная задача для клеток, обладающих целым арсеналом 
ферментативных и химических инструментов, 
описанных в части II. Однако, чтобы учесть механизмы сохранения и передачи информации, 
нам придется значительно расширить систему 
наших взглядов, сформулированную на основе анализа метаболических путей. Химические 
связи должны возникать между конкретными 
субъединицами информационных биополимеров с минимальной вероятностью появления и 
закрепления ошибок. Это требование оказывает очень серьезное влияние на термодинамику, 
химию и энзимологию процессов биосинтеза. 
Образование пептидной связи требует затраты 

энергии, примерно равной 21 кДж/моль, и может происходить с участием относительно простых ферментов, выступающих в качестве катализаторов. Но для образования связи между 
двумя определенными аминокислотами в конкретной точке полипептида требуется примерно 
125 кДж/моль, причем в этом процессе задействовано более 200 ферментов, молекул РНК 
и специфических белков. Химический процесс 
образования пептидной связи тот же самый, но 
здесь подключаются дополнительные процессы, 
гарантирующие образование этой связи строго 
между определенными аминокислотами. Информация стоит дорого.
Еще одна важная тема, затрагиваемая в 
части III, касается динамического взаимодействия между нуклеиновыми кислотами и белками. За исключением тех редких случаев, когда в роли катализаторов выступают молекулы 
РНК (эта тема обсуждается в гл. 26 и 27), метаболические процессы, связанные с передачей 
информации, катализируются и регулируются 
белками. Изучение этих ферментов и других 
белков имеет не только научное, но и прикладное значение, поскольку позволяет применять 
их в технологиях, основанных на рекомбинантных ДНК (см. гл. 9, т. 1).
И вновь возвратимся к теме эволюции. 
Многие процессы, рассмотренные в части III, 
возникли миллиарды лет назад, а некоторые 
прослеживаются вплоть до последнего универсального общего предшественника — LUCA 
(от англ. last universal common ancestor). Рибосомы, практически весь трансляционный аппарат и некоторые элементы транскрипционного аппарата есть у всех живых организмов 
на нашей планете. Генетическую информацию 
можно рассматривать в качестве своеобразных 
молекулярных часов, которые позволяют установить родственные отношения между видами. Общие информационные пути связывают 
человека со всеми ныне живущими на Земле 
организмами, а также со всеми прежде существовавшими видами. Изучение этих путей помогает ученым приоткрыть занавес в первом 
акте пьесы, повествующей о возникновении 
жизни на Земле.

Основная концепция (догма) молекулярной биологии, которая объясняет главные метаболические пути передачи 
информации — репликацию, транскрипцию и трансляцию. Говорить, что это «догма», не совсем верно. Ведь эта 
концепция как догма была предложена Фрэнсисом Криком, когда было мало доказательств, подтверждающих 
выдвинутые идеи, позже ставшие хорошо обоснованной 
теорией.

РНК

Белок

Транскрипция

Трансляция

ДНК
Репликация

Гены и хромосомы

24.1. Элементы хромосом  7

24.2. Сверхспирализация ДНК  14

24.3. Структура хромосом  27
Р

азмер ДНК предлагает нам интересную 
биологическую загадку. Поскольку молекулы ДНК обычно намного длиннее клеток или вирусных частиц, которые их содержат 
(рис. 24-1), возникает вопрос: как они помещаются в клетке или в вирусе? Чтобы ответить на 
него, следует перейти от рассмотрения вторич
ной структуры ДНК (см. гл. 8, т. 1) к ее удивительной третичной структуре, лежащей в основе 
строения хромосом — хранилища генетической 
информации. В начале главы мы рассмотрим 
основные элементы хромосом, а затем остановимся на обсуждении их размера и организации. Далее мы обратимся к топологии ДНК и 
обсудим варианты скручивания и суперскручивания молекул. В заключение мы обсудим взаимодействия ДНК с белками, способствующие 
компактной укладке хромосом.

24.1. Элементы хромосом

Клеточная ДНК содержит гены и межгенные 
области; и те и другие могут выполнять жизненно важные функции. Более сложные геномы, 
например геномы эукариот, нуждаются в более 
сложных уровнях организации хромосом, что 
проявляется в их структурных особенностях. 
Мы начнем с рассмотрения различных типов 
последовательностей ДНК и структурных элементов хромосом.

24

Рис. 24-1. Белковый капсид бактериофага Т2 окружен 
единственной линейной молекулой ДНК этого фага. В 
результате лизиса бактериофага в дистиллированной воде 
ДНК вышла из капсида и распространилась по поверхности 
воды. Неповрежденная частица бактериофага Т2 состоит 
из головки и хвоста, с помощью которого бактериофаг прикрепляется к внешней поверхности бактериальной клетки. Вся ДНК, показанная на этой электронной микрофотографии, обычно упакована внутри головки фага.
0,5 мкм

[8] 24. Гены и хромосомы

Гены — это участки молекул ДНК, 
кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о 
генах существенно изменилось. Ранее геном 
называли участок хромосомы, кодирующий 
или определяющий один признак, или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет 
глаз. В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем 
предложили молекулярное определение гена. 
Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora 
crassa рентгеновским излучением и другими 
агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые 
специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, 
что ген — это участок генетического материала, 
который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один 
фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют 
белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного 
белкового комплекса.
Современное биохимическое определение 
гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную 
последовательность конечных продуктов, к 
которым относятся полипептиды или РНК, 
обладающие структурной или каталитической функцией. Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполня
ющие исключительно регуляторные функции. 
Регуляторные 
последовательности 
могут 
обозначать начало или конец генов, влиять на 
транскрипцию или указывать место инициации 
репликации или рекомбинации (см. гл. 28). Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК 
служит матрицей для образования разных продуктов. Соответствующие механизмы транскрипции и трансляции описаны в гл. 26–28.
Мы можем приблизительно рассчитать 
минимальный размер гена, кодирующего средний белок. В гл. 27 подробно рассказано о том, 

Джордж Бидл, 
1903–1989
Эдвард Тейтем, 
1909–1975

Рис. 24-2. Соответствие (колинеарность) между кодирующими участками ДНК, мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. Триплеты 
нуклеотидов в ДНК определяют аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из 
цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны 
триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот 
кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками (так называемыми интронами).

24.1. Элементы хромосом [9]

что каждая аминокислота в полипептидной 
цепи кодируется последовательностью из трех 
нуклеотидов (рис. 24-2); последовательности 
этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 
350 аминокислотных остатков (цепь средней 
длины) соответствует последовательности из 
1050 п. н. Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами 
ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем 
показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме? Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном 
полностью расшифрован, представляет собой 
кольцевую молекулу ДНК (на самом деле это 
не правильный круг, а, скорее, петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п. н. В этой 
последовательности 
содержится 
примерно 
4300 генов белков и еще 157 генов структурных 
или каталитических молекул РНК. В геноме 
человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, 
соответствующих почти 20 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Молекулы ДНК гораздо длиннее клеток 
или вирусов, которые их содержат

Молекулы хромосомной ДНК обычно на много 
порядков длиннее, чем клетки или вирусные частицы, в которых они размещаются (табл. 24-1; 
см. рис. 24-1). Это относится ко всем классам 
организмов и к вирусам.

Вирусы. Вирусы не могут жить вне другого организма, вне жизнеспособной клетки. Скорее, 

их можно назвать внутриклеточными паразитами, использующими ресурсы клетки-хозяина для размножения. Многие вирусные частицы состоят только из генома (обычно одной 
молекулы РНК или ДНК), окруженного белковой оболочкой.
Геномы почти всех вирусов растений и некоторых вирусов бактерий и животных состоят из РНК. Такие геномы обычно небольшого 
размера. Например, геномы ретровирусов млекопитающих, таких как ВИЧ, содержат около 
9000 нуклеотидов, а бактериофаг Q— 4220 нуклеотидов. Геномы обоих вирусов представляют 
собой одноцепочечную РНК.
Геномы ДНК-содержащих вирусов намного 
крупнее (табл. 24-1). Многие молекулы ДНК 
вирусов какую-то часть жизненного цикла находятся в замкнутой кольцевой форме. При репликации вируса в клетке хозяина могут появляться специфические формы вирусных ДНК, 
называемые репликативными формами; например, многие линейные молекулы ДНК становятся кольцевыми, а все одноцепочечные ДНК образуют димеры. Типичным ДНК-содержащим 
вирусом среднего размера является бактериофаг , инфицирующий E. coli. Репликативная 
форма ДНК фага внутри клеток представлена 
в форме кольцевой двухцепочечной спирали. 
Двухцепочечная ДНК содержит 48 502 п. н., 
а длина ее контура составляет 17,5 мкм. Геном 
бактериофага Х174 тоже содержит ДНК, но 
его размер намного меньше; в вирусной частице ДНК представлена в виде одноцепочечной 
кольцевой молекулы, а двухцепочечная репликативная форма содержит 5386 п. н. Хотя вирусные геномы маленькие, длина их ДНК в сотни 
раз больше, чем размер самих вирусных частиц, 
содержащих эти молекулы ДНК (табл. 24-1).

Таблица 24-1

 
Размер вирусной 
Длина вирусной 
Длина вирусной 
Вирус 
ДНК, п. н. 
ДНК, нм 
частицы, нм

Х 174 
5 386 
1 939 
25

Т7 
39 936 
14 377 
78

48 502 
17 460 
190

Т4 
168 889 
60 800 
210

 Размеры ДНК и вирусных частиц некоторых вирусов бактерий (бактериофагов)

Примечание. Размер ДНК указан для репликативной (двухцепочечной) формы. Длину 
ДНК оценивали, считая размер пары нуклеотидов равным 3,4 Å (см. рис. 8-13, т. 1).

[10] 24. Гены и хромосомы

Бактерии. В одной клетке E. coli содержится примерно в 100 раз больше ДНК, чем в частице бактериофага . Хромосома клетки 
E. coli представляет собой одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит 
из 4 641 652 п. н. и достигает в длину пример
но 1,7 мм, что превышает длину самой клетки 
E. сoli приблизительно в 850 раз (рис. 24-3). Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе 
нуклеоида многие бактерии содержат одну или 
несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, 
свободно располагающихся в цитозоле. Такие 

Клетка E. coli

ДНК E. coli

внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 24-4; см. также разд. 9.1, т. 1). Большинство плазмид состоит всего из нескольких 
тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат до 
400 000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних 
плазмид, которые попадают в дочерние клетки 
в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но 
также в дрожжах и других грибах.
Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ своему хозяину, и, повидимому, их единственная задача — самовоспроизводство. Однако некоторые плазмиды 
несут полезные для хозяина гены. Например, 
содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие 
ген -лактамазы, обеспечивают устойчивость к 
-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин, ампициллин и амоксициллин (см. рис. 6-32, 
т. 1). Плазмиды могут переходить от клеток, 
устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам 
того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков 
является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также 
транспозонов, описанных ниже, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных 
бактерий. Врачи начинают понимать опасность 
широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. 
По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков в кормах для 
сельскохозяйственных животных.

Рис. 24-3. Клетка бактерии и ее ДНК. Длина хромосомы E. coli, изображенной 
в линейной форме (1,7 мм), относительно длины типичной клетки E. coli (2 мкм).

Рис. 24-4. ДНК из лизированной клетки E. coli. На 
электронной микрофотографии белыми стрелками 
отмечено несколько маленьких кольцевых молекул 
плазмид. Белые и черные пятна — артефакты приготовления.