核糖核酸

核糖核酸(缩写为RNA,即Ribonucleic Acid),存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。RNA由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸,核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种,即A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)、U(尿嘧啶),其中,U(尿嘧啶)取代了DNA中的T。核糖核酸在体内的作用主要是引导蛋白质的合成。

人体一个细胞含RNA约10pg(含DNA约7pg)。与DNA相比,RNA种类繁多,分子量较小,含量变化大。RNA可根据结构和功能的不同分为信使RNA和非编码RNA。非编码RNA分为非编码大RNA和非编码小RNA。非编码大RNA包括核糖体RNA、长链非编码RNA。非编码小RNA包括转移RNA、核酶、小分子RNA等。小分子RNA(20~300nt)包括 miRNA、 SiRNA、 piRNA、scRNA、 snRNA、 snoRNA等,细菌也有小分子RNA(50~500nt)。

信使RNA(mRNA)最早发现于1960年,在蛋白质合成过程中负责传递遗传信息、直接指导蛋白质合成,具有以下特点。

1.含量低,占细胞总RNA的1%~5%。

2.种类多,可达10种。不同基因表达不同的mRNA。

3.寿命短,不同mRNA指导合成不同的蛋白质,完成使命后即被降解。细菌mRNA的平均半衰期约为1.5分钟。脊椎动物mRNA的半衰期差异极大,平均约为3小时。

4.长度差异大哺乳动物mRNA长度为5×10~1×10nt原核生物与真核生物的mRNA虽然在结构上有差异,但功能一样,都是指导蛋白质合成的模板。

转移RNA(tRNA)在蛋白质合成过程中负责转运氨基酸、解读mRNA遗传密码。tRNA占细胞总RNA的10%~15%,绝大多数位于细胞质中。tRNA由Crick于1955年提出其存在,Zamecnik和 Hoagland于1957年鉴定。

1.tRNA一级结构

具有以下特点:

①是一类单链小分子RNA,长73~95nt(共有序列76nt),沉降系数4S。

②是含稀有碱基最多的RNA,含7-15个稀有碱基(占全部碱基的15%~20%),位于非配对区。

③5′末端碱基往往是鸟嘌呤。

④3'端是CCA序列,其中的腺苷酸常称为A76,其3’—OH是氨基酸结合位点。

2.tRNA二级结构

约50%碱基配对,形成四段双螺旋,与五段非配对序列形成三叶草形结构。该结构中存在四臂四环:

①氨基酸臂。

②二氢尿嘧啶臂(DHU臂、D臂)和二氢尿嘧啶环(DHU环、D环),特征是含二氢尿嘧啶(DHU、D)。

③反密码子臂和反密码子环,特征是反密码子环含反密码子。反密码子5′端与尿苷酸连接,3′端与嘌呤核苷酸连接。TΨC臂(T臂)和TΨC环(Ψ环),特征是TΨC环含胸腺嘧啶核糖核苷酸T54假尿苷酸Ψ55胞苷酸C56。

④额外环3~21nt。

3.tRNA三级结构

呈L形,氨基酸结合位点位于其一端,反密码子环位于其另一端,DHU环和TΨC环虽然在二级结构中位于两侧,但在三级结构中却相邻。尽管各种tRNA的长度和序列不尽相同,但其三级结构相似,提示三级结构与其功能密切相关。

核糖体RNA(rRNA)与核糖体蛋白构成一种称为核糖体的核蛋白颗粒。一个大肠杆菌中约有15000个核糖体。

1.核糖体组成和结构

原核生物和真核生物的核糖体都由一个大亚基和一个小亚基构成,两个亚基都由rRNA和核糖体蛋白构成。核糖体、核糖体亚基及rRNA的大小一般用沉降系数表示。

2.核糖体RNA特点

(1)含量高,rRNA是细胞内含量最高的RNA,占细胞总RNA的80%~85%。

(2)寿命长,rRNA更新慢,寿命长。

(3)种类少,原核生物有5S、16S、23s三种rRNA,约占核糖体质量的66%(其中5S,23SrRNA占核糖体大亚基的70%,16S rRNA占核糖体小亚基的60%);真核生物主要有5S、5.8S、18S、28S四种rRNA,另有少量线粒体rRNA、叶绿体rRNA。大肠杆菌16SrRNA的3'端有一段保守序列 ACCUCCU,可与mRNA中的SD序列互补结合。5 SrRNA有两段保守序列也已被鉴定:

① CGAAC,可以与tRNA的TΨC环的GTCG互补结合。

② GCGCCGAAUGGUAGU,可以与23SrRNA中的一段序列互补结合。

3.核糖体种类

原核生物只有一类核糖体,真核生物则有位于细胞不同部位的以下几类:核糖体、游离核糖体、内质网核糖体(又称附着核糖体)、线粒体核糖体和叶绿体核糖体(植物)。游离核糖体和内质网核糖体实际上是同一类核糖体,它们比原核生物核糖体大,所含的rRNA和蛋白质也多。线粒体核糖体和叶绿体核糖体比原核生物核糖体小。不过,这些核糖体的基本结构和功能一致。

科学家在研究RNA的转录后加工时发现某些RNA有催化活性,可以催化RNA的剪接,这些由活细胞合成、起催化作用的RNA称为核酶。许多核酶的底物也是RNA,甚至就是其自身,其催化反应也具有专一性。

已经阐明的天然核酶有锤头状核酶、发夹状核酶、I型内含子、Ⅱ型内含子、丁型肝炎病毒核酶、核糖核酸酶P、肽基转移酶等。如何评价核酶的理论意义与实际意义,如何看待核酶与传统意义上的酶在代谢中的地位,都有待进一步研究。

1.核酶发现

核酶最早由Cech和 Altman(1989年诺贝尔化学奖获得者)发现。1967年,Woese、 Crick与 Orgel等基于RNA二级结构的复杂程度提出其可能有催化活性;1982年,Cech在研究四膜虫rRNA前体剪接时发现其内含子有自我剪接活性;1983年,Altman在研究细菌tRNA前体时发现核糖核酸酶P中的MRNA参与tRNA前体转录后加工;1982年, Kruger等建议将有催化活性的RNA命名为“ ribozyme(核酶)”。

2.核酶特点

到目前为止发现的各种核酶有以下特点。

(1)核酶的化学本质为RNA或RNA片段。有些核糖核蛋白也有催化作用,但活性中心位于其蛋白质成分上,并不属于核酶,例如端粒酶。然而,如果核糖核蛋白的RNA含活性中心,则该RNA组分就是核酶,例如核糖核酸酶P分子中的M1RNA。

(2)核酶的底物种类比较少,大多数是自身RNA或其他RNA分子,并因此分为自体催化、异体催化两种类型。此外还有其他底物,例如肽基转移酶的底物是氨酰tRNA和肽酰tRNA。

(3)核酶的催化效率比酶低得多。

(4)核酶也具有专一性。例如,M1RNA只剪切RNA前体5′端的额外核苷酸,不剪切其3′端的额外核苷酸及其他序列。

(5)核酶所催化的反应都是不可逆的。

(6)核酶催化反应时需要Mg,Mg既维持核酶的活性构象,又参与催化反应。

(7)多数核酶在细胞内含量极低。

3.核酶意义

①核酶的发现和研究使我们对RNA的生理功能有了进一步的认识,即它既是遗传信息的载体,又是生物催化剂,兼有DNA和蛋白质两类生物大分子的功能。

②核酶的发现动摇了所有生物催化剂都是蛋白质的传统观念。

③核酶的发现对于了解生命进化过程具有重要意义,RNA或许是最早出现的生物大分子。

4.核酶应用

①基因治疗;②特定RNA降解;③生物传感器;④功能基因组学;⑤基因发现。

真核生物90%的RNA分布在细胞质中,少量存在于线粒体、叶绿体和核仁中。

原核生物的RNA分布在细胞质中。

RNA和DNA一样,也是由各种核苷酸通过3′,5′-磷酸二酯键连接构成的多核苷酸链,但与DNA有一系列差异。

1.在化学组成方面,RNA含核糖而不含脱氧核糖。含尿嘧啶而不含胸腺密啶。例外的是,每个tNA分子含有一个胸腺嘧啶,这是在RNA链合成后由尿嘧啶甲基化生的,此外,前面已提到,少数DNA含有少量核糖,但这些个别的例外并不能以此否定两类核酸组成上的差异。

2.RNA一级结构的概念虽与DNA相同.但其基本结构单位是核糖核苷酸而不是脱氧核糖核苷酸。此外,部分RNA5′端或3′端有特殊的核苷酸序列,而且RNA一级结构中没有DNA那样复杂的顺序组织。

3.绝大多数RNA为单链分子,单链可自身折迭形成发夹(hairpin)样结构而有局部双螺旋结构的特征,这是各种RAN空间结构的共同特征。RNA局部双螺旋结构中碱基互补配对规律是A对U和G对C。由于RNA分子内部不能全面形成碱基配对,故其碱基克分子比A不等于U,G不等于C,不存在DNA碱基比例的 Chargaff规律。

1998年,美国两位科学家安德鲁·法尔和克雷格·梅洛在《自然》杂志上共同发表了有关发现RNA(核糖核酸)干扰机制的论文,被同行称为“近一段时间以来分子生物学最激动人心的发现之一”。

安德鲁·法尔1959年出生在美国加利福尼亚州圣克拉拉县,本科在加利福尼亚大学伯克利分校主修数学,仅用3年时间就拿到了学位。1983年获美国麻省理工学院生物学博士学位。他逐渐对涉及生命奥秘的遗传学产生了兴趣,并将其作为自己终身的学术追求。

克雷格·梅洛生于1960年,他的父亲是一名古生物学家,梅洛童年时经常跟着父亲在美国西部寻找化石。

高中时代,梅洛的兴趣逐渐转移到了基因工程方面。当时科学家克隆了人类胰岛素基因,并将其DNA(脱氧核糖核酸)置入到细菌中,这样就可以人工合成无限多的胰岛素。这一成果为全球数百万糖尿病患者带来了福音。梅洛回忆说:“科学研究能够真正地对人类健康产生影响,这个想法激起了我的兴趣。”

1998年法尔和梅洛在美国卡内基学会工作期间,他们合作发现了RNA干扰机制。

安德鲁·法尔称:“克雷格和我的工作是研究为什么一些基因会停止运行,我们试图去控制它们,我们发现了一些东西可以有效地中止它们。这些基因并不能告诉你它们能做什么,所以如果你能中止它们,你就可以开始了解它们能做什么。不过,最初发现RNA现象的是一位华人学者,非常可惜,他没有进一步弄清这是为什么。”

二人发现的是一个有关控制基因信息流程的关键机制。人们的基因组通过从细胞核里的DNA向蛋白质的合成机制发出生产蛋白质的指令,这些指令通过mRNA传送。他们发现一种可以用特定基因降解mRNA的方式,在这种RNA干扰现象中,双链RNA以一种非常明确的方式抑制了基因表达。这项技术被用于全球的实验室来确定在各种病症中哪种基因起到了重要作用。

植物、动物、人类都存在RNA干扰现象,这对于基因表达的管理、参与对病毒感染的防护、控制活跃基因具有重要意义。RNA干扰是一个生物过程,在这个过程中双链RNA以一种非常明确的方式抑制了基因表达。自1998年发现以来,RNA干扰已经作为一种强大的“基因沉默”技术而出现。RNA干扰作为研究基因运行的一种研究方法已被广泛应用于基础科学,它可能在将来产生更多更新的治疗方法。科学家认为,RNA干扰技术不仅是研究基因功能的一种强大工具,不久的未来,这种技术也许能用来直接从源头上让致病基因“沉默”,以治疗癌症甚至艾滋病,在农业上也将大有可为。

mRNA含A、U、G、C四种核苷酸,每三个相联而成一个三联体,即密码,代表一个氨基酸的信息,故按数学中排列组合法则计算,可形成43=64个不同的密码。根据实验结果,推得64个密码与氨其酸的对应关系如下表。

64个密码中,61个密码分别代表各种氨基酸。每种氨基酸少的只有一个密码,多的可有6个,但以2个及4个的居多数。此外,UAA、UAG、UGA这三个密码是肽链合成的终止信号,不代表任何氨基酸。在真核生物中,AUG既是甲硫氨酸的密码,又是肽链合成的起始信号;而在原核生物中,GUG(在真核生物中是缬氨酸的密码)和AUG样,都是甲酰甲硫氨酸的密码和肽链合成的起始相号。可见,除GUG外,所有的密码从细菌到高等生物都能适用,这一点为生物的共同起源学说提供了有力的佐证。

必需指出:⑨在mRNA整个分子中,从起始信号直至终止信号,其密码的三联体是连续的,密码与密码之间没有间隔的核苷酸;②起始信号AUG并非是mRNA的起始(5′端),而可以和5′端间隔若干个核苷酸;而且终止信号也不在mRNA的3′端。

作为“搬运工具”的tRNA有很多种,体内20种氨基酸都有其自已特有的tRNA,所以,tRNA的种类不少于20种。tRNA在ATP供应能量和酶的作用下,可分别与特定的氨基酸结合。每个tRNA都有一个由三个核苷酸编成的“反密码”。这个反密码可以根据碱基配对的原则与mRNA上对应的密码配对,而且只有当反密码与mRNA上的密码相对应时才能配合,否则就“格格不入”。所以在翻译时,带着不同氨基酸的各个tRNA就能准确地在mRNA分子上“对号入座”,依次与典密码相合,这就保证了氨基酸能排列成一定的顺序。

tRNA上的反密码当然应能识别mRNA上相应的、互补的密码,并与之配对。然而用提纯的tRNA来进行实验时,发现一种tRNA能够识别几种密码。例如,丙氨酸tRNA,其反密码为IGC(5′>3′),可以识别三种密码。

rRNA与多种蛋白质分子共同构成核蛋白体。核蛋白体相当于“装配机”,能促使tRNA所携带的氨基酰基缩合成肽。核蛋白体附着在mRNA上,并沿着mRNA长链的起始信号向终止信号移动。至于rRNA在蛋白质生物合成中的具体作用还不清楚。

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