湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物化學(xué)-02-核酸的結(jié)構(gòu)與功能-02_PDF轉(zhuǎn)換成word轉(zhuǎn)換器

1、 第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能 第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)核酸通論第二節(jié)核酸基本構(gòu)件單位核苷酸第三節(jié) DNA的分子結(jié)構(gòu)第四節(jié) RNA的分子結(jié)構(gòu)第五節(jié)核酸的某些理化性質(zhì)第六節(jié)核酸研究常用技術(shù) 第四節(jié) RNA的分子結(jié)構(gòu)一、 RNA通論二、 tRNA的分子結(jié)構(gòu)三、 rRNA的分子結(jié)構(gòu)四、 mRNA的分子結(jié)構(gòu)五、非編碼RNABack RNA的一級結(jié)構(gòu)RNA與DNA的差異DNARNA糖脫氧核糖核糖OH堿基 AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基5´3´OHRNA分子中各核苷酸之間的連接方式（3´5´磷酸二酯鍵）和排列順序叫做 RNA的一級結(jié)構(gòu)OHBack RNA

2、16; RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。Ø RNA單鏈可以發(fā)生自身回折，使堿基配對形成局部雙螺旋區(qū)域，被稱作臂(arm)和莖(stem)，不能配對的堿基則形成單鏈的環(huán)狀突起(loop)。Ø 約有40%70%的核苷酸參與了雙螺旋的形成，所以RNA分子可以形成多環(huán)多臂的二級結(jié)構(gòu)。Ø RNA比DNA小的多，RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性。 RNA二級結(jié)構(gòu)單元發(fā)夾 (hairpin)莖環(huán)結(jié)構(gòu)（stem-loop）膨泡 (bulge)內(nèi)環(huán)( internal loop, bubble)假結(jié) (pseudoknot)當(dāng)RNA環(huán)與其

3、緊鄰的單鏈區(qū)形成配對即可形成 n RNA的種類、分布、功能細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNA tRNAmt rRNA核蛋白體組分 (80%)mt mRNA 蛋白質(zhì)合成模板(35%)核蛋白體RNA信使RNA(15%)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸mt tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA成熟mRNA的前體核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNAHnRNASnRNA參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾核仁小RNASnoRNA胞漿小RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分 二、tRNA的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transfer RNA, tRNA)的主要作用是將氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體-mRNA復(fù)合物的相應(yīng)位置

4、用于蛋白質(zhì)合成。tRNA由7495個核苷酸組成（4S）；約占細(xì)胞RNA總量的15%，由核內(nèi)形成并迅速加工后進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。雖然大多數(shù)蛋白質(zhì)僅由20種左右的氨基酸組成，但一種氨基酸可有一種以上的tRNA，細(xì)胞內(nèi)一般有50種以上不同的tRNA。tRNA由于雙螺旋比例較高，其二級結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。tRNA含有10-15%的稀有堿基。 1、tRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：含有多種稀有堿基及稀有核苷OOH CH3NNH2ONHNNN NH2NN9NH2NN1OHOCH2 ONH2ON15HOCH2 OHOCH2HOCH2 O1¢O1¢1¢1¢OH HHOOHHO OHOH7-甲基鳥苷

5、胸腺嘧啶OH H假尿嘧啶核苷( pseudouridine,y ) ( inosine, I )次黃嘌呤核苷二氫尿嘧啶核苷(7methylguanosine)核糖核苷，胸苷（T）(dihydrouridine)DHUmG 2、tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)ØtRNA具有局部的莖環(huán)(stemloop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四臂四環(huán)的三葉草形結(jié)構(gòu) 3´AAlaCC酵母5´氨基酸臂，接受臂的二級結(jié)TC環(huán)DHU環(huán)，D環(huán)額外環(huán)，可變環(huán)（二氫尿嘧啶環(huán)）反密碼子環(huán)ICGBack反密碼子 3、tRNA的倒L形三級結(jié)構(gòu)在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型三級結(jié)構(gòu) 酵母丙氨

6、酸-tRNA在形成三級結(jié)構(gòu)時，形成了6個新的堿基配對，還有3個由堿基對和另一個堿基形成的三元堿基配對。 4、tRNA的3 -末端連接氨基酸ØtRNA的3¢末端都是以CCA結(jié)尾。Ø3 末端的A與氨基酸共價連結(jié)，tRNA成為了氨基酸的載體。氨?；?#216;不同的tRNA可以結(jié)合不同的氨基酸。 5、tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子ØtRNA的反密碼子環(huán)上有一個由三個核苷酸構(gòu)成的反密碼子(anticodon)。ØtRNA上的反密碼子依照堿基互補(bǔ)的原則識別 mRNA上的密碼子。 三、以rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所Ø核糖體RN

7、A(ribosomal RNA，rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA(80)。ØrRNA與核糖體蛋白結(jié)合組成核糖體 (ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。 核糖體的組成真核生物核糖體細(xì)菌核糖體單位離心場的沉降速度即沉降系數(shù)。蛋白質(zhì)、核酸等大分子沉降系數(shù)在1200×1013秒之間。 n核蛋白體的組成原核生物（以E.coli為例） 真核生物（以小鼠為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸占重40%18S 1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種33種占重50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S 4718個核苷酸5.8S 160個核苷

8、酸5S120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占重30%49種占重35% rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5s RNA的二級結(jié)構(gòu) 原核生物 16S rRNA 真核生物18S rRNA 蛋白質(zhì)合成時形成的復(fù)合體 四、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板mRNA又稱信使RNA，是蛋白質(zhì)合成的模板。在細(xì)胞內(nèi)，mRNA含量很低，僅占細(xì)胞中RNA總量的35%左右，但種類非常多，細(xì)胞在發(fā)育的不同時期有不同種類的mRNA。 p原核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯在細(xì)胞的同一空間進(jìn)行，兩個過程常緊密偶聯(lián)同時發(fā)生。p真核生物mRNA的前體在細(xì)胞核內(nèi)合成，包括內(nèi)含子和外顯子的整個基因均被轉(zhuǎn)

9、錄，形成分子大小極不均一的RNA，稱為核不均一RNA(hnRNA)。hnRNA被加工成為成熟的mRNA進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。 原核生物mRNA的特征Ø半衰期短：大多數(shù)細(xì)菌mRNA在轉(zhuǎn)錄開始1分鐘后就開始降解。Ø許多原核生物mRNA以多順反子的形式存在。Ø原核生物mRNA的5端無帽子結(jié)構(gòu)，3端沒有或只有較短的多聚（A）結(jié)構(gòu)。 單順反子mRNA :只編碼一個蛋白質(zhì)的mRNA。多順反子mRNA:編碼多個蛋白質(zhì)的mRNA。l原核生物mRNA起始密碼子AUG上游10個堿基左右位置有一段富含嘌呤堿基的保守序列，被稱為Ribosome BindingSite(RBS)或

10、SD序列（Shine-Dalgarno sequence），該序列與16S-rRNA 3端反向互補(bǔ)，這是細(xì)菌識別起始密碼的主要機(jī)制。 真核生物mRNA的特征Ø單順反子形式存在。Ø5端存在“帽子”結(jié)構(gòu)。Ø絕大多數(shù)具有多聚(A)尾巴。編碼區(qū)5'3'm7GpppAAAAnAUGUAA3'非翻譯區(qū)5'非翻譯區(qū)編碼蛋氨酸Ø 從AUG開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。Ø 成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。 （1）大部分真核細(xì)胞mRNA的5'末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸

11、核苷為起始結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNmOHHNH2H OHNNO-ONOH H5'5'O CH2 O P O P O P O CH2 OH2NNONNO-O-O7H3' 2'HHNNHHOCH3CH3O 7 mRNA的帽子結(jié)構(gòu)常常被甲基化零類帽子（cap0）：第一個甲基出現(xiàn)在所有真核細(xì)胞的mRNA中（單細(xì)胞真核生物mRNA主要是這個結(jié)構(gòu)），稱為零類帽子。1類帽子(cap1)：如在第二個核苷酸的2-OH位上加另一個甲基。一般把有這兩個甲基的結(jié)構(gòu)稱為1類帽子。真核生物主要含1類帽子。2類帽子(cap2):在某些生物細(xì)胞內(nèi)，mRNA鏈上的第三個核苷酸的2-OH位也可

12、能被甲基化，被稱為2類帽子。只占有帽mRNA總量的10%-15%以下。 帽子結(jié)構(gòu)的功能ü有助于mRNA越過核膜，進(jìn)入胞質(zhì)；ü保護(hù)5不被核酶降解；ü翻譯時供IF（起始因子）和核糖體識別，是翻譯所必需的。 （2）真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)p除組蛋白基因外，真核細(xì)胞mRNA在3-末端有一段長約40-200個核苷酸的多聚腺苷酸(polyA)。ppolyA的出現(xiàn)不依賴DNA模板, 是在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)polyA聚合酶的作用而添加上去的。ü提高了mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。mRNA剛從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)時，其多聚(A)尾巴一般比較長，隨著mRNA在細(xì)胞

13、質(zhì)內(nèi)逗留時間延長，多聚(A)逐漸變短消失。ü它可促進(jìn)核糖體的有效循環(huán)。 一旦核糖體完成了通過poly A尾而環(huán)化的mRNA的翻譯，新釋放的核糖體被理想地置于同一mRNA的起始翻譯位點(diǎn)，促進(jìn)了核糖體的有效循環(huán)利用。 （3）mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)氨基酸順序的合成Ø 從mRNA分子5'末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(triplet code)。Ø AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子（UAA，UGA，UAG）。Ø 位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱

14、讀框(open reading frame,ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列 。 （4）mRNA的成熟過程是hnRNA的剪接過程雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA1872 nt雞卵清蛋白mRNA的成熟 五、非編碼RNA ( non-coding RNA, ncRNA)隨著人類基因組計(jì)劃的完成和研究工作的不斷深入，發(fā)現(xiàn)高級真核生物的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物超過97%是不編碼蛋白質(zhì)的。不編碼蛋白質(zhì),以RNA形式發(fā)揮作用的RNA稱非編碼RNA( non-coding RNA, ncRNA)。ncRNA種類繁多，除rRNA和tRNA以外的其它ncRNA，可以從不同的角度對其進(jìn)行分類。 t

15、RNA、 rRNAsiRNAs、 microRNAs、piRNAs小分子ncRNAsmall non-coding RNA snoRNA、snRNA、scRNA、gRNA、(sncRNA) (20-500nt)pRNA、tmRNA、RNase P RNA、Signal recognition particle RNA非編碼RNAnon-coding RNA(20-20000nt)RNA大分子ncRNAXist、Evf、Air、CTN、PINK、 lincRNAs（大型插入性非編碼RNA）long non-coding RNA(lncRNA) (>500-20000nt)mRNA 微小RN

16、A核仁小RNA轉(zhuǎn)運(yùn)-信使RNA（細(xì)菌）核內(nèi)小RNA（packaging RNA）核酶7SL RNA向?qū)NA胞質(zhì)小RNAsiRNApiRNA小片段干涉 RNA抵御病毒入侵、轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄等參與配子發(fā)生過程Piwi-interacting RNA 1、microRNA（miRNA）Ø內(nèi)生的、長度約20-24個核苷酸的小RNA,ØmiRNAs具高度的進(jìn)化保守性、表達(dá)時序性和組織特異性ØmiRNA序列、結(jié)構(gòu)、豐度和表達(dá)方式的多樣性，使其作為蛋白質(zhì)編碼mRNA的強(qiáng)有力的調(diào)節(jié)子。Ø有些miRNA存在多個靶點(diǎn)，另一些則是多個miRNA作用于一個靶基因，它們形成復(fù)雜的調(diào)節(jié)

17、網(wǎng)絡(luò)精細(xì)調(diào)控基因的表達(dá)。ØmiRNAs參與生命過程中一系列的重要生理過程，包括發(fā)育進(jìn)程，造血過程，器官形成，凋亡，細(xì)胞增殖，甚至是腫瘤發(fā)生。 2、小片段干擾RNA（small interfering RNAs，siRNA)ØsiRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達(dá)的雙鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核酸序列的小片段RNA。ØsiRNA可以與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。Ø基于此機(jī)理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNAinterference，RNAi)技術(shù)。Ø隨著構(gòu)建dsRNA技術(shù)的日益完善，RNAi技術(shù)已廣泛用于探索

18、基因功能，開展基因治療和新藥開發(fā)，研究信號傳導(dǎo)通路等領(lǐng)域。 1998年，F(xiàn)ire和Mello首次揭示雙鏈RNA能夠特異抑制具有相同序列的靶mRNA的表達(dá)，并將這一現(xiàn)象稱為RNA干涉(RNA interference，RNAi)。2006 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎Craig MelloAndrew Fire“他們的發(fā)現(xiàn)能解釋許多令人困惑、相互矛盾的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，揭示了控制遺傳信息流動的基本機(jī)制，開啟了一個新的研究領(lǐng)域。” (1)按照ncRNA的功能分類催化RNA (catalitic RNA, cRNA),是有催化功能的RNA分子,亦稱核酶。類似mRNA的RNA,即3'端有PolyA,無典

19、型ORF,不編碼蛋白質(zhì)的RNA分子。與細(xì)胞的生長和分化、胚胎的發(fā)育、腫瘤的形成和抑制密切相關(guān)。指導(dǎo)RNA( guide RNA, gRNA) ,是指導(dǎo)mRNA編輯的小RNA分子。 tmRNA,功能上既是tRNA,又是mRNA,翻譯時既可以轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸,又可作模板。端粒酶RNA (telomerase RNA)，是真核染色體端粒復(fù)制的模板。信號識別顆粒(signal recognition particle,SRP)RNA,是SRP的組成部分,與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。細(xì)胞核小分子RNA (snRNA)，是mRNA前體剪接體的重要組分。 核仁小分子RNA (small nucleolar RNA,

20、snoRNA),指導(dǎo)rRNA上特異位點(diǎn)的甲基化或假尿嘧啶化。微小RNA (micro RNA),由基因組DNA非編碼區(qū)轉(zhuǎn)錄,長度約22 nt,在基因表達(dá)、細(xì)胞周期及個體發(fā)育的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。小干擾RNA (small interferin RNA, siRNA),與micro RNA大小相似的雙鏈RNA分子,在RNA干擾(RNAi)途徑中介導(dǎo)靶mRNA的降解。 (2)根據(jù)ncRNA在細(xì)胞內(nèi)的分布分類細(xì)胞核小分子RNA(snRNA)，包括剪接體snRNA (U1, U2, U4, U5, U6) U7 snRNA。前者是mRNA前體剪接體的重要組分，后者負(fù)責(zé)組蛋白前體mRNA 3'末

21、端的形成。核仁小RNA (snoRNA)，是最豐富的一類ncRNA，主要參與rRNA及其他RNA的修飾、加工、成熟等過程。 細(xì)胞質(zhì)小RNA( small cytoplasmic RNA,scRNA)，分布在細(xì)胞質(zhì)，主要在蛋白質(zhì)合成過程中起作用。新近發(fā)現(xiàn)的Cajal小體( Cajalbodies,CBs)小RNA，是CBs特異性小RNA，能與U族snRNA堿基配對，可能對U1, U2, U4及U5進(jìn)行位點(diǎn)特異性2'O核糖甲基化，并參與假尿嘧啶形成。 (3)根據(jù)ncRNA的大小分類 2125 nt的ncRNA,包括microRNA(miRNA)家族和小干擾RNA (siRNA)家族兩種類型。它們是真核細(xì)胞基因表達(dá)的重要調(diào)控因子，是目前倍受關(guān)注、研究最多和進(jìn)展最快的一類ncRNA。