RNA的結(jié)構(gòu)和功能教程文件

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。RNA的結(jié)構(gòu)和功能-RNA的結(jié)構(gòu)與功能DNA是遺傳信息的載體，遺傳信息的作用通常由蛋白質(zhì)的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，但DNA并非蛋白質(zhì)合成的直接模板，合成蛋白質(zhì)的模板是RNA。與DNA相比，RNA種類(lèi)繁多，分子量相對(duì)較小，一般以單股鏈存在，但可以有局部二級(jí)結(jié)構(gòu)，其堿基組成特點(diǎn)是含有尿嘧啶(uridin,U)而不含胸腺嘧啶，堿基配對(duì)發(fā)生DNA是遺傳信息的載體，遺傳信息的作用通常由蛋白質(zhì)的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，但DNA并非蛋白質(zhì)合成的直接模板，合成蛋白質(zhì)的模板是RNA。與DNA相比，RNA種類(lèi)繁多，分子量相對(duì)較小，一般以單股鏈存在

2、，但可以有局部二級(jí)結(jié)構(gòu)，其堿基組成特點(diǎn)是含有尿嘧啶(uridin,U)而不含胸腺嘧啶，堿基配對(duì)發(fā)生于C和G與U和A之間，RNA堿基組成之間無(wú)一定的比例關(guān)系，且稀有堿基較多。此外，tRNA還具有明確的三級(jí)結(jié)構(gòu)。一、信使RNA(mRNA)遺傳信息從DNA分子抄錄到RNA分子中的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄(transcription)。在真核生物中，最初轉(zhuǎn)錄生成的RNA稱為不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)，然而在細(xì)胞漿中起作用，作為蛋白質(zhì)的氨基酸序列合成模板的是mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前體。兩者之間的差別主要有兩點(diǎn)：一是hnRN

3、A核苷酸鏈中的一些片段將不出現(xiàn)于相應(yīng)的mRNA中，這些片段稱為內(nèi)含子(intron)，而那些保留于mRNA中的片段稱為外顯子(exon)。也就是說(shuō)，hnRNA在轉(zhuǎn)變?yōu)閙RNA的過(guò)程中經(jīng)過(guò)剪接，被去掉了一些片段，余下的片段被重新連接在一起；二是mRNA的5末端被加上一個(gè)m7pGppp帽子，在mRNA3末端多了一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)尾巴。mRNA從5末端到3末端的結(jié)構(gòu)依次是5帽子結(jié)構(gòu)，5末端非編碼區(qū)，決定多肽氨基酸序列的編碼區(qū)，3末端非編碼區(qū)，和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由數(shù)十個(gè)至一百幾十個(gè)腺苷酸連接而成。隨著mRNA存在時(shí)間的延續(xù)，這段聚A尾巴慢慢變短。因此，目前認(rèn)為這種3末端結(jié)構(gòu)可

4、能與增加轉(zhuǎn)錄活性以及使mRNA趨于相對(duì)穩(wěn)定有關(guān)。原核生物的mRNA沒(méi)有這種首、尾結(jié)構(gòu)。二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)tRNA(transferRNA)是蛋白質(zhì)合成中的接合器分子。tRNA分子有100多種，各可攜帶一種氨基酸，將其轉(zhuǎn)運(yùn)到核蛋白體上，供蛋白質(zhì)合成使用。tRNA是細(xì)胞內(nèi)分子量最小的一類(lèi)核酸，由70120核苷酸構(gòu)成，各種tRNA無(wú)論在一級(jí)結(jié)構(gòu)上，還是在二、三級(jí)結(jié)構(gòu)上均有一些共同特點(diǎn)。tRNA中含有10%20%的稀有堿基(rarebases)，如：甲基化的嘌呤mG、mA，雙氫尿嘧啶(DHU)、次黃嘌呤等等。此外，tRNA內(nèi)還含有一些稀有核苷，如：胸腺嘧啶核糖核苷，假尿嘧啶核苷(，pseudo

5、uridine)等。胸腺嘧啶一般存在于DNA中；在假尿嘧啶核苷中，不是通常嘧啶環(huán)中1位氮原子，而是嘧啶環(huán)中的5位碳原子與戊糖的1位碳原子之間形成糖苷鍵。tRNA分子內(nèi)的核苷酸通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)形成多處局部雙螺旋結(jié)構(gòu)，未成雙螺旋的區(qū)帶構(gòu)成所謂的環(huán)。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的所有tRNA均可呈現(xiàn)圖15-14所示的這種所謂的三葉草樣(cloverleafpattern)二級(jí)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，從5末端起的第一個(gè)環(huán)是DHU環(huán)，以含二氫尿嘧啶為特征；第二個(gè)環(huán)為反密碼子環(huán)，其環(huán)中部的三個(gè)堿基可以與mRNA中的三聯(lián)體密碼子形成堿基互補(bǔ)配對(duì)，構(gòu)成所謂的反密碼子(anticodon)，在蛋白質(zhì)合成中起解讀密碼子，把正確的氨基酸引入合

6、成位點(diǎn)的作用；第三個(gè)環(huán)為T(mén)環(huán)，以含胸腺核苷和假尿苷為特征；在反密碼子環(huán)與T環(huán)之間，往往存在一個(gè)額外環(huán)，由數(shù)個(gè)乃至二十余個(gè)核苷酸組成，所有tRNA3末端均有相同的CCA-OH結(jié)構(gòu)，tRNA所轉(zhuǎn)運(yùn)的氨基酸就連接在此末端上。如下圖：通過(guò)X射線衍射等結(jié)構(gòu)分析方法，發(fā)現(xiàn)tRNA的共同三級(jí)結(jié)構(gòu)均呈倒L形(如上圖右二)，其中3末端含CCAOH的氨基酸臂位于一端，反密碼子環(huán)位于另一端，DHU環(huán)和T環(huán)雖在二級(jí)結(jié)構(gòu)上各處一方，但在三級(jí)結(jié)構(gòu)上卻相互鄰近。tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的維系主要是依賴核苷酸之間形成的各種氫鍵。各種tRNA分子的核苷酸序列和長(zhǎng)度相差較大，但其三級(jí)結(jié)構(gòu)均相似，提示這種空間結(jié)構(gòu)與tRNA的功能有密切關(guān)系

7、(tRNA-Asp、tRNA-Phe)。三、核蛋白體RNA(rRNA)核蛋白體RNA(ribosomalRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA，約占RNA總量的80%以上，是蛋白質(zhì)合成機(jī)器棗核蛋白體(核糖體)(ribosome)的組成成分。核糖體蛋白(ribosmalprotein,rp)有數(shù)十種，大多是分子量不大的多肽類(lèi)，分布在核蛋白體大亞基的蛋白稱為rpl，在小亞基的稱rps。原核生物和真核生物的核蛋白體均由易于解聚的大、小亞基組成。對(duì)大腸桿菌核蛋白體的研究發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量中三分之二是rNRA，三分之一是蛋白質(zhì)。rRNA分為5S、16S、23S三種。S是大分子物質(zhì)在超速離心沉降中的一個(gè)物理學(xué)單位，可反

8、映分子量的大小。小亞基由16SrRNA和21種rps構(gòu)成，大亞基由5S、23SrRNA和31種rpl構(gòu)成。真核生物核蛋白體小業(yè)基含18SrRNA和30多種rps，大亞基含28S、5.8S、5S三種rRNA，近50種rpl。各種生物核蛋白體小亞基中的rRNA具有相似的二級(jí)結(jié)構(gòu)(如下圖)。無(wú)論在試管內(nèi)或細(xì)胞內(nèi)，大、小亞基都易于組成核蛋白體整體或分離成兩部分。幾十種多肽是如何互相聯(lián)結(jié)，又怎樣與幾種rRNA相連的呢?用提純了的亞基所有的肽和rRNA在試管內(nèi)混合，發(fā)現(xiàn)不需加入酶或ATP就可以自動(dòng)組裝成為有活性的亞基，但rRNA之間卻不能互相替代，也即說(shuō)這種自我組裝過(guò)程是以rRNA為主導(dǎo)的。雖然所有多肽在

9、組裝中也是缺一不可的，但不同的肽可能有酶的作用或起別構(gòu)效應(yīng)?，F(xiàn)已證明某些核糖體蛋白具有酶的功能，但基中大多數(shù)還未弄清其具體作用。四、其它RNA分子小核RNA(snRNA,smallnuclearRNA)存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，是一類(lèi)稱為小核核蛋白體復(fù)合體(snRNP)的組成成分，有U1，U2，U4，U5，U6snRNA等，均為小分子核糖核酸，長(zhǎng)約106189個(gè)核苷酸，其功能是在hnRNA成熟轉(zhuǎn)變?yōu)閙RNA的過(guò)程中，參與RNA的剪接，并且在將mRNA從細(xì)胞核運(yùn)到細(xì)胞漿的過(guò)程中起著十分重要的作用。小胞漿RNA(scRNA,smallcytosolRNA)又稱為7SLRNA，長(zhǎng)約300個(gè)核苷酸，主

10、要存在于細(xì)胞漿中，是蛋白質(zhì)定位合成于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上所需的信號(hào)識(shí)別體(signalrecognizationparticle)的組成成分。小結(jié)核酸是由核苷酸聚合而成的高分子化合物，是所有生物遺傳信息的攜帶者。根據(jù)核苷酸分子中戊糖的類(lèi)型，將核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)兩大類(lèi)。核苷酸由磷酸基、戊糖和含氮堿基組成，堿基包括嘌呤和嘧啶兩大類(lèi)。DNA一般含A、C、G、T四種堿基，RNA含A、C、G、U四種堿基。四種核苷酸按照一定的排列順序，通過(guò)3,5-磷酸二酯鍵相連形成的線形多核苷酸即DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)。不同排列順序的DNA區(qū)段構(gòu)成的特定功能單位即基因，DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了基因的功能。

11、一般將細(xì)胞內(nèi)染色體包含DNA的總體稱為基因組。同一物種的基因組DNA含量總是恒定的，不同物種間基因組大小和復(fù)雜程度差異極大。真核生物具有復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)，其基因組DNA上存在著單一序列和大量重復(fù)序列，大多數(shù)真核基因都是不連續(xù)的，在成熟RNA中出現(xiàn)的部分稱為外顯子，在DNA拼接過(guò)程中被刪除的部分稱為內(nèi)含子。原核生物沒(méi)有核膜，其DNA與RNA和蛋白質(zhì)一起形成一個(gè)相對(duì)集中的區(qū)域即類(lèi)核。原核生物HYPERLINK/Search.asp?ModuleName=Article&Field=Title&Keyword=基因組基因組上功能相關(guān)的基因常常串連在一起并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA分子中，形成多順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu)。某

12、些病毒中會(huì)出現(xiàn)基因重疊。在進(jìn)化過(guò)程中DNA可能發(fā)生突變，不影響生物體表型的DNA突變稱為中性突變，中性突變常以孟德稱顯性遺傳方式遺傳給下一代，其中的限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性已被廣泛用于遺傳病的診斷、產(chǎn)前診斷、親子鑒定以及法醫(yī)學(xué)上對(duì)罪犯的確認(rèn)等。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)，由戊糖和磷酸基構(gòu)成的兩條主鏈以反平行的方式和右手方向相互纏繞，構(gòu)成雙螺旋的骨架。主鏈由于其親水性而處于雙螺旋的外表面，堿基由于其一定程度的疏水性而位于雙螺旋的內(nèi)部。兩條鏈上的堿基按AT和GC的互補(bǔ)規(guī)律相互以氫鏈連接，構(gòu)成遺傳信息可靠傳遞、DNA半保留復(fù)制的基礎(chǔ)。兩條主鏈并不充滿雙螺旋的空間，而在表面形成大溝和小溝。大溝是調(diào)控蛋白

13、質(zhì)識(shí)別DNA信息的主要場(chǎng)所。DNA分子結(jié)構(gòu)并非一成不變，而是在不同條件下可以有所不同，即DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性。在生理狀態(tài)下DNA主要為B構(gòu)象，并可能有少量的A構(gòu)象和Z構(gòu)象。Z構(gòu)象是唯一存在的左手雙螺旋構(gòu)象。DNA鏈上的四種堿基也非均勻分布，因而產(chǎn)生了一些特異的序列?；匚男蛄惺窃S多限制性核酸內(nèi)切酶和調(diào)控蛋白的識(shí)別位點(diǎn)；富含A/T序列則是許多分子遺傳學(xué)過(guò)程所不可缺少的；嘌呤和嘧啶的排列順序?qū)﹄p螺旋的穩(wěn)定性也有重大影響。DNA在熱或其他變性劑的作用下，雙螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞，雙鏈發(fā)生分離，即變性。變性DNA的某些理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)隨之改變，如增色效應(yīng)。核酸加熱變性過(guò)程中紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為核酸的解鏈溫度(Tm)，Tm值的大小與核酸分子大小和GC所占總堿基數(shù)的百分比成正相關(guān)。變性的DNA單鏈在適當(dāng)條件下又能恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)，即復(fù)性作用。不同來(lái)源的變性核酸一起復(fù)性，則可能發(fā)生雜交，雜交是許多分子生物學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。雙螺旋DNA進(jìn)一步扭曲而成的超螺旋稱為DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)。真核生物中，DNA與組蛋白形成核小體結(jié)構(gòu)時(shí)，存在著負(fù)超螺旋。核小體是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，每個(gè)核小體單位包括200bp左右的DNA和一個(gè)組蛋白八聚體以及一個(gè)分子的組蛋白