ChemNet
 
 Химический факультет МГУ

Книги сотрудников факультета

Химия нуклеиновых кислот: учебник / М. Б. Готтих, А. А. Богданов, Х46 Н.Г.Долинная, В.Г.Метелев, Е.А.Романова, Т.С.Орецкая ; науч. ред. С. Н. Кочетков. — Москва : Издательство Московского университета, 2025. — 340 с: ил. (табл.). — (Классический университетский учебник). ISBN 978-5-19-012059-2

Химия нуклеиновых кислот

Учебник
Научный редактор академик С. Н. Кочетков
Москва : Издательство Московского университета,
2025. — 340 с: ил. (табл.)
Классический университетский учебник
ISBN 978-5-19-012059-2

В учебнике изложена информация о фундаментальных свойствах нуклеиновых кислот, приведены современные методы их исследования и применения. Цель издания — познакомить студентов и аспирантов, специализирующихся в области химии природных соединений, с важнейшими разделами химии нуклеиновых кислот: структура и свойства их отдельных компонентов, синтез природных и модифицированных олигонуклеотидов, основные приемы установления последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК, исследования их пространственной структуры, химические подходы к изучению комплексов нуклеиновых кислот с белками, методы диагностики заболеваний, связанных с повреждениями в геноме.


Коллектив авторов:
М. Б. Готтих, А. А. Богданов, Н. Г. Долинная,
В. Г. Метелев, Е. А. Романова, Т. С, Орецкая
Рецензенты:
А. Л. Хандажинская — доктор химических наук, ведущий научный сотрудник
Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН
А. М. Копылов — доктор химических наук, профессор кафедры химии природных
соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова

В 2025 году Московскому университету — старейшему университету России — исполняется 270 лет. За без малого три века он выучил, вырастил и выпустил в жизнь огромную плеяду выдающихся ученых и педагогов. Люди Московского университета сформировали всемирно признанные научные школы, разработали эффективные методики преподавания разных дисциплин, внеся тем самым весомый вклад в успешное научно-технологическое и духовно-нравственное развитие нашей страны. Многие из них создали замечательные книги, в которых ярко отражены как научные и педагогические достижения, так и история самого университета.

Готовясь к юбилею, мы издаем и переиздаем книги, которые дают наилучшее представление об интеллектуальном богатстве Московского университета, о его вкладе в науку и образование. Издательские серии «Классический университетский учебник», «Труды выдающихся ученых МГУ», «История Московского университета», «Из сокровищницы Московского университета» включают ставшие классикой учебники, на которых выросло не одно поколение студентов, фундаментальные научные монографии, книги, повествующие об истории и современности старейшего и крупнейшего университета России.

Посвящая этот издательский проект 270-летию нашей Альма-матер, мы надеемся привлечь внимание читателей к достижениям университетских ученых в разных областях знания, к многогранному научно-образовательному наследию Московского университета, чья книжная сокровищница продолжает пополняться фундаментальными трудами, становясь к юбилею еще богаче.

Ректор Московского университета академик
В. А. Садовничий

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОТ АВТОРОВ      15
 ВВЕДЕНИЕ. Кто открыл ДНК?      17
ГЛАВА 1. Компоненты нуклеиновых кислот   21
   1.1. Структура и свойства нуклеозидов      21
   1.1.1. Структура и номенклатура нуклеозидов. Минорные нуклеозиды      21
   1.1.1.1. Структура основных нуклеозидов в составе нуклеиновых кислот      21
   1.1.1.2. Минорные нуклеозиды      30
   1.1.2. Химические свойства гетероциклических оснований в нуклеозидах      31
   1.1.2.1. Распределение электронной плотности в основаниях      31
   1.1.2.2. Кислотно-основные свойства гетероциклических оснований      34
   1.1.2.3. Реакции с электрофилъными реагентами      35
   1.1.2.4. Реакции с нуклеофилъными реагентами      44
   1.1.2.5. Реакции по экзоциклическим аминогруппам      50
   1.1.3. Реакции по углеводному фрагменту      54
   1.1.3.1. Замещение атома водорода в гидроксильных группах      54
   1.1.3.2. Окисление гидроксильных групп      61
   1.1.3.3. Замещение гидроксильных групп      61
   1.1.3.4. Реакции, в которых затрагиваются гетероциклическое основание и углеводный фрагмент      65
   1.1.4. Синтез нуклеозидов      72
   1.1.4.1. Синтез нуклеозидов конденсацией углеводного фрагмента и гетероциклического основания      73
   1.1.4.2. Получение 2'-дезоксинуклеозидов дегидратацией по Бартону      81
   1.1.4.3. Другие методы синтеза производных нуклеозидов      81
   1.1.4.4. Конструирование гетероцикла после гликозилирования      83
   1.1.4.5. Трансгликозилирование      83
   1.1.5. Устойчивость гликозидных связей. Особые свойства псевдоуридина      86
   1.1.5.1. Влияние природы гетероциклического основания на скорость гидролиза N-гликозидной связи      87
   1.1.5.2. Влияние природы углеводного фрагмента на скорость гидролизаN-гликозидной связи      87
   1.1.5.3. Механизм гидролиза N-гликозидных связей в нуклеозидах      88
   1.1.5.4. Особые свойства псевдоуридина      89
   1.2. Структура и свойства мононуклеотидов      92
   1.2.1. Структура и номенклатура нуклеотидов      92
   1.2.2. Кислотно-основные свойства нуклеотидов      93
   1.2.3. Свойства фосфатной группы в составе нуклеотидов      94
   1.2.3.1. Основные представления о строении и реакционной способности фосфатной группы      94
   1.2.3.2. Реакции фосфатной группы в составе нуклеотидов      96
   1.2.4. Синтез и свойства производных нуклеотидов      100
   1.2.4.1. Нуклеозидциклофосфаты      100
   1.2.4.1. Нуклеозидциклофосфаты      100
   1.2.4.2. Смешанные ангидриды нуклеотидов      102
   1.2.4.3. Амиды нуклеотидов      106
   1.2.4.4. Эфиры нуклеотидов      109
   Литература к главе 1      115
ГЛАВА 2. Олигодезоксирибо- и олигорибонуклеотиды   118
   2.1. Структура и свойства олигонуклеотидов      118
   2.1.1. Структура и номенклатура олигонуклеотидов      118
   2.1.2. Свойства олигонуклеотидов      120
   2.1.2.1. Гидролитическая устойчивость нуклеиновых: кислот      120
   2.1.2.2. Реакции фосфатных групп в олигонуклеотидах      122
   2.1.2.3. Реакции гетероциклических оснований в составе олигонуклеотидов      128
   2.2.2.4. Реакции углеводных остатков в составе олигонуклеотидов      128
   2.2. Химический синтез олигодезоксирибонуклеотидов      130
   2.2.1. Общая стратегия химического синтеза олигодезоксирибонуклеотидов      132
   2.2.1.1. Защитные группы для мономерного синтона олигонуклеотидного синтеза      133
   2.2.1.2. Введение фосфатов      133
   2.2.1.3. Способы образования межнуклеотидной связи      136
   2.2.2. Твердофазный синтез фрагментов нуклеиновых кислот      140
   2.2.2.1. Иммобилизация первого 2'-дезоксирибонуклеозида на твердофазном носителе      140
   2.2.2.2. Наращивание олигонуклеотидной цепи      142
   2.2.2.3. Деблокирование иудаление олигонуклеотидов с полимерного носителя      143
   2.2.2.4. Выделение (очистка) олигонуклеотидов      144
   2.3. Синтез олигорибонуклеотидов      144
   2.3.1. Синтез полностью защищенного З'-амидофосфита рибонуклеозида      144
   2.3.1.1. Блокирование гетероциклических оснований      144
   2.3.1.2. Защита 2'-гидроксилъной группы      145
   2.3.2. Процедура синтеза олигорибонуклеотидов      146
   2.3.3. Удаление защитных групп после завершения автоматического твердофазного синтеза      146
   2.4. Синтез олигонуклеотидов на чипах      147
   2.5. Синтез модифицированных олигонуклеотидов      149
   2.5.1. Модификация гетероциклического основания      149
   2.5.2. 3'-/5'-Концевые модификации      152
   2.5.3. Модификация межнуклеотидной фосфатной группы      154
   2.5.3.1. Тиофосфаты      154
   2.5.3.2. Метилфосфонаты      156
   2.5.3.3. Амидофосфаты (фосфамиды)      156
   2.5.4. Модификация углеводного фрагмента      158
   2.5.4.1. 2'-Амино-2'-дезоксинуклеозиды в составе олигонуклеотидов      158
   2.5.4.2. Олигонуклеотиды с включением 2'-О-алкилрибонуклеозидов и2'-дезокси-2'-фтор-$-0-рибофуранозидов      161
   2.5.4.3. Ковалентно-замкнутые нуклеиновые кислоты      163
   2.5.4.4. Пептидо-нуклеиновые кислоты      164
   2.5.4.5. Диамидофосфатные морфолиновые олигонуклеотиды      165
   Литература к главе 2      167
ГЛАВА 3. Пространственная структура нуклеиновых кислот   169
   3.1. Основные принципы структурной организации нуклеиновых кислот и их компонентов      169
   3.1.1. Методы изучения конформации нуклеиновых кислот      169
   3.1.2. Структурные особенности нуклеозидов и нуклеотидов      169
   3.1.2.1. Конформация гетероциклических оснований      170
   3.1.2.2. Конформации фуранозного кольца нуклеозидов и нуклеотидов      170
   3.1.2.3. Относительное расположение остатков рибозы (дезоксирибозы) и гетероциклического основания      171
   3.1.2.4. Ориентация групп атомов вокруг связи С4\ С5' в нуклеозидах и нуклеотидах      172
   3.1.2.5. Конформация сахаро-фосфатной цепи мономерного звена в полинуклеотидах      172
   3.1.3. Основные типы нековалентных взаимодействий, стабилизирующих вторичную структуру нуклеиновых кислот      173
   3.2. Макромолекулярная структура ДНК      176
   3.2.1. Структурные характеристики двойной спирали ДНК в В-форме      176
   3.2.2. Физические свойства двуспиральной ДНК в В-форме      176
   3.2.2.1. Денатурация ДНК      177
   3.2.2.2. Ренатурация ДНК      179
   3.2.3. Конформационный полиморфизм ДНК      179
   3.2.4. Неканонические формы ДНК      181
   3.2.4.1. ДНК-дуплексы с параллельным расположением цепей      181
   3.2.4.2. Одноцепочечная а-ДНК      182
   3.2.4.3. Левозакрученная Z-форма ДНК      183
   3.2.4.4. Структуры Холлидея — четырехлучевые ДНК      185
   3.2.4.5. Тройные спирали ДНК      187
   3.2.4.6. Квадруплексные структуры ДНК      187
   3.2.5. Сверхспирализованная ДНК      189
   3.2.6. Отрицательная сверхспирализация как фактор, способствующий стабилизации неканонических структур ДНК      191
   3.3. Макромолекулярная структура РНК      194
   3.3.1. Особенности организации макромолекулярной структуры РНК      195
   3.3.2. Первичная и вторичная структура РНК      195
   3.3.3. Третичная структура РНК      201
   3.3.3.1. О физических методах определения третичной структуры РНК      201
   3.3.3.2. Банки данных, в которых хранится информация о третичной структуре РНК      202
   3.3.3.3. Основные элементы третичной структуры РНК      203
   3.3.3.4. Взаимодействие двуспиралъных элементов и одноцепочечныхучастков РНК друг с другом      209
   3.3.3.5. Некоторые особенности укладки одноцепочечных элементов в третичной структуре РНК      212
   Литература к главе 3      215
ГЛАВА 4. Методы исследования первичной структуры нуклеиновых кислот   218
   4.1. Основные принципы определения нуклеотидной последовательности ДНК и РНК      218
   4.1.1. Химический метод определения первичной структуры олигонуклеотидов: секвенирование по Максаму — Гилберту      218
   4.1.1.1. Секвенирование олигодезоксирибонуклеотидов      219
   4.1.1.2. Секвенирование олигорибонуклеотидов      223
   2. Специфичные РНКазы и ферментативный метод секвенирования РНК      223
   4.1.3. Ферментативное секвенирование ДНК (метод Сэнгера)      224
   4.1.4. Использование флуоресцентно-меченых соединений для секвенирования ДНК. Автоматическое секвенирование ДНК      226
   4.1.5. Принципы секвенирования протяженных двухцепочечных ДНК      228
   4.1.5.1. Эндонуклеазы рестрикции      229
   4.1.5.2. Методы введения концевых меток в ДНК      230
   4.1.5.3. Общие принципы секвенирования протяженных двухцепочечных ДНК. Метод "дробовика"      231
   4.1.6. Особенности секвенирования РНК      232
   Методы секвенирования РНК и ДНК второго и третьего поколения      233
   4.2.1. Общие принципы тотального секвенирования нуклеиновых кислот      233
   4.2.2. Секвенирование ДНК методами второго поколения      233
   4.2.2.1. Подготовка библиотеки образцов ДНК      233
   4.2.2.2. Применение палимеразной цепной реакции для амплификации фрагментов ДНК      234
   4.2.2.3. Секвенирование ДНК путем лигирования (SOLiD)      236
   4.2.2.4. Ионное полупроводниковое секвенирование (IonTorrent)      237
   4.2.2.5. Секвенирование с использованием обратимых флуоресцентно-меченых терминаторов (Solexa/Illumina)      238
   4.2.3. Секвенирование ДНК методами третьего поколения      241
   4.2.3.1. Одномолекулярное секвенирование в реальном времени      242
   4.2.3.2. Нанопоровое секвенирование ДНК      242
   4.2.4. Основные принципы секвенирования клеточных РНК      245
   4.2.4-1. Методы секвенирования клеточныхмРНК      245
   4.2.4-2. Принципы секвенирования клеточных некодирующих РНК      248
   4.2.4.3. Прямое секвенирование РНК      248
   4.2.5. Анализ минорных нуклеозидов в РНК и ДНК      250
   Литература к главе 4      252
ГЛАВА 5. Химические и ферментативные методы исследования пространственной структуры нуклеиновых кислот и белково-нуклеиновых комплексов   256
   5.1. Использование методов химической модификации (химический пробинг) для изучения пространственной структуры НК      256
   5.1.1. Влияние пространственной структуры нуклеиновых кислот на реакционную способность гетероциклических оснований      256
   5.1.2. Использование методов химической модификации для определения пространственной структуры ДНК      257
   5.1.2.1. Идентификация одно цепочечных участков в составе ДНК      258
   5.1.2.2. Анализ наличия тпрехспиральных структур в ДНК      260
   5.1.2.3. Анализ наличия квадруплексных структур в ДНК      261
   5.1.2.4. Использование ферментов для анализа вторичной структуры ДНК      261
   5.1.3. Анализ пространственной структуры РНК с помощью химических реагентов и ферментов      262
   5.1.3.1. Анализ пространственной структуры РНК с помощью ферментативного гидролиза      262
   5.1.3.2. Анализ пространственной структуры РНК с помощью химических реагентов      263
   5.1.4. Исследование РНК-РНК взаимодействий методом ковалентных "сшивок"      266
   5.2. Использование методов химической модификации для изучения взаимодействий НК с белками      270
   5.2.1. Методы исследования устойчивости и специфичности НК-белковых комплексов      272
   5.2.2. Определение участков НК, взаимодействующих с белком, методом ковалентного связывания      274
   5.2.2.1. Определение участков ДНК, взаимодействующих с белком, методом ковалентного связывания      274
   5.2.2.2. Определение участков РНК, взаимодействующих с белком, методом ковалентного связывания      276
   5.2.3. Изучение контактов в НК-белковом комплексе      279
   5.2.3.1. Футпринтинг ДНК-белковых комплексов      279
   5.2.3.2. Метод интерференции для исследования ДНК-белковых комплексов      282
   5.2.3.3. Исследование контактов в РНК-белковых комплексах      282
   Литература к главе 5      285
ГЛАВА 6. Применение модифицированных олигонуклеотидов   288
   6.1. Применение модифицированных олигонуклеотидов для изучения белков о-нуклеиновых взаимодействий      288
   6.1.1. Модификации НК, используемые для выявления контактов с белком      288
   6.1.2. Модификации НК, используемые для выявления аминокислотных остатков, участвующих в белково-нуклеиновых взаимодействиях      291
   6.2. Применение модифицированных олигонуклеотидов для детекции нуклеиновых кислот      295
   6.2.1. Метод гибридизационного анализа      295
   6.2.1.1. Блот-гибридизация      295
   6.2.1.2. Гибридизация на чипах      298
   6.2.1.3. Особенности гибридизационного анализа при выявлении мутаций в ДНК      301
   6.2.1.4. Флуоресцентная гибридизация insitu      304
   6.2.2. Использование методов ПЦР для детекции НК      306
   6.3. Модифицированные олигонуклеотиды как основа лекарственных препаратов нового поколения      312
   6.3.1. Подходы к конструированию и требования к терапевтическим средствам на основе нуклеиновых кислот      312
   6.3.2. Антисенсовая технология      313
   6.3.3. Модифицированные олигонуклеотиды, регулирующие сплайсинг мРНК      319
   6.3.4. Малые интерферирующие РНК — миРНК (siRNA)      321
   6.3.5. "Ловушки" факторов транскрипции (decoys)      325
   6.3.6. Аптамеры      327
   6.3.7. Нерешенные несинтетические проблемы      329
   Литература к 6 главе      333
   Приложения к главе 3      338
   Приложение 1      338
   Приложение 2      339

ОТ АВТОРОВ

Нуклеиновые кислоты занимают особое место в науке о живом. Структуры ДНК и РНК детально изучены, их химические и биологические свойства и роль во многих биохимических процессах, протекающих в клетке, точно установлены. Само возникновение целых областей биоорганической химии, молекулярной биологии, биомедицинской химии, биотехнологии и др. обязано работам, связанным с изучением нуклеиновых кислот. Именно в этой области сделаны открытия, позволившие расшифровать механизм важнейшей стороны жизни — наследственности. Эти открытия принадлежат к величайшим достижениям науки XX в., объединившим успехи химии и биологии, физики и математики. Их значение по праву сравнивают с масштабом открытий радиоактивности и расщепления атомного ядра. Установление структуры и изучение свойств нуклеиновых кислот позволили расшифровать геном человека и понять природу многих наследственных заболеваний. Более того, для диагностики и лечения этих заболеваний теперь часто используются синтетические фрагменты нуклеиновых кислот (олигонуклеотиды) и их модифицированные аналоги. Глубокое знание структуры и свойств нуклеиновых кислот в настоящее время является ключевым компонентом образования специалистов различных областей знания, в том числе (и не в последнюю очередь) химиков.

В начале 1960-х гг. профессор Зоя Алексеевна Шабарова начала читать курс органической химии нуклеиновых кислот и их компонентов сначала студентам лаборатории химии белка кафедры органической химии, а затем студентам кафедры химии природных соединений (ХПС) химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, созданной на базе этой лаборатории. Впоследствии курс 3. А. Шабаровой был дополнен академиком РАН Алексеем Алексеевичем Богдановым лекциями по структуре ДНК и РНК и химическим основам молекулярной биологии. В настоящее время курс модифицирован в соответствии с современными научными представлениями и читает его профессор Марина Борисовна Готтих.

Как работа над новыми лекционными курсами, так и организация кафедры ХПС были ини¬циированы замечательным химиком-биооргаником Михаилом Алексеевичем Прокофьевым. Еще на рубеже 1940-1950-х гг. совместно с 3. А. Шабаровой, а несколько позже с Ю. П. Швачкиным и Н. И. Соколовой он стал проводить работы по синтезу производных гетероциклических оснований, нуклеозидов и нуклеотидов, а в конце 1950-х гг. были начаты работы с природными ДНК и РНК (Е. Г. Антонович, А. А. Богданов). М. А. Прокофьев руководил кафедрой ХПС с 1966 по 1985 г. Он по праву считается одним из родоначальников химии нуклеиновых кислот в нашей стране.

В 1978 г. 3. А. Шабарова и А. А. Богданов издали первый уникальный учебник «Химия нуклеиновых кислот и их компонентов». В 1994 г. этот учебник в обновленном виде вышел на английском языке. Нельзя не упомянуть, что до выхода этого учебника источниками информации о нуклеиновых кислотах были не только научные публикации, но и две замечательные монографии1. За прошедшие годы в синтетической и структурной химии нуклеиновых кислот произошли события принципиальной важности, которые потребовали создания нового учебника 2. Этот учебник не переведен на русский язык и в основном адресован научным сотрудникам, а не начинающим исследователям — студентам, специализирующимся в области биоорганической химии.

Цель настоящего учебника, того, который вы читаете, — познакомить студентов и аспирантов, специализирующихся в области химии природных соединений, а также слушателей межфакультетских курсов, подготовленных сотрудниками кафедры химии природных соединений химического факультета и НИИ ФХБ имени А. Н. Белозерского МГУ имени М. В. Ломоносова, с такими важнейшими разделами химии нуклеиновых кислот, как структура и свойства их отдельных компонентов, синтез природных и модифицированных олигодезокси- и олигори-бонуклеотидов, основные приемы установления последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК и исследования их пространственной структуры, химические подходы к изучению комплексов нуклеиновых кислот с белками, методы диагностики заболеваний, связанных с повреждениями в геноме, а также наличием вирусных или бактериальных инфекций.

Учебник заканчивается разделом, в котором информация  обсуждаются возможности создания новых диагностических и лекарственных препаратов на основе модифицированных фрагментов нуклеиновых кислот. Таким образом, в книге изложена . информация о фундаментальных свойствах нуклеиновых кислот и приведены некоторые современные методы их исследования и применения.

Автор выражает благодарность А. В. Назаренко за техническое оформление рукописи.

1 Микельсон А. Химия нуклеозидов и нуклеотидов (Chemistry of Nucleosides and Nucleotides). M.: Мир, 1966; Органическая химия нуклеиновых кислот / Под ред. Н. К. Кочеткова, Э. П. Будовского. М.: Химия, 1970.

2Blackburn M. С, Egli M., Gait M. J., Watts J. К. Nucleic Acids in Chemistry and Biology. 4'h ed. London, The Royal Society of Chemistry, 2022.


Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
 Написать письмо редактору