生物化學(xué)與分子生物學(xué):第五節(jié)　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。正常細(xì)胞遺傳信息的流向是：

與DNA相比，RNA種類繁多，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)生于C和G與U和A之間，RNA堿基組成之間無一定的比例關(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)。

表15-7　RNA的分類

注：原核細(xì)胞不含后3種RNA

(一)信使RNA(mRNA)與不均一核RNA(hnRNA)

遺傳信息從DNA分子抄錄到RNA分子中的過程稱為轉(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(heterogeneous nuclearRNA,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hnRNA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，hnRNA在轉(zhuǎn)變?yōu)閙RNA的過程中經(jīng)過剪接，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沒有這種首、尾結(jié)構(gòu)。

圖15－13　hnRNA與mRNA的結(jié)構(gòu)比較

(涂斜線者為外顯子，空白者為內(nèi)含子)

1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核細(xì)胞中，由于蛋白質(zhì)是在胞漿中而不是在核內(nèi)合成，因此顯然要求有一個(gè)中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中。后來的研究證實(shí)，這種中間物即信使RNA。��mRNA的核苷酸序列與DNA序列相應(yīng)，決定著合成蛋白質(zhì)的氨基酸序列。它如何指導(dǎo)氨基酸以正確的順序連接起來呢?不同的mRNA堿基組成和排列順序都不同，但都只有A，G，C，U4種堿基。如果一個(gè)堿基就可以決定一個(gè)氨基酸，則只有四種變化方式，如果兩個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸，則只有16種變化方式，都不能滿足20種氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的實(shí)驗(yàn)得出了三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸的結(jié)論，并將這種三位一體的核苷酸編碼稱做遺傳密碼(genetic code)或三聯(lián)體密碼，這樣就可以有64種不同的密碼，但此情況下必須假定有一些氨基酸使用兩個(gè)以上的密碼。這一假定很快就被證明是對(duì)的。遺傳密碼具有下列特征：

(1)三個(gè)核苷酸組成一個(gè)密碼子，每個(gè)密碼子由三個(gè)前后相聯(lián)的核苷酸組成，一個(gè)密碼子只為一種氨基酸編碼。共有64個(gè)密碼子；

(2)密碼子之間不重疊使用核苷酸，也無核苷酸間隔；

(3)一種氨基酸可有多個(gè)密碼子，這個(gè)特點(diǎn)稱為密碼子的簡(jiǎn)并性；

(4)密碼子的通用性，所有生物從最低等的病毒直至人類，蛋白質(zhì)合成都使用同一套密碼子表(表15-8)，僅有極少的例外，如特殊細(xì)胞器線粒體，葉綠體所用的密碼稍有不同。(表15-9)。

表15-8　通用遺傳密碼及相應(yīng)的氨基酸

表15－9　通用遺傳密碼與線粒體遺傳密碼之間的一些差異

注：下標(biāo)橫線者為與通用編碼不同的編碼

究竟哪一個(gè)密碼子為哪一種氨基酸編碼，即密碼子與氨基酸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系已在60年代研究解決了。1964年Nirenberg用一種RNA聚合酶體外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸，將這些多聚核苷酸分別用于蛋白質(zhì)的體外合成。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所用的多聚核苷酸為多聚尿苷酸時(shí)，只有多聚苯丙氨酸合成，這意味著UUU為苯丙氨酸編碼；用其它多聚核苷酸進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，CCC為脯氨酸編碼，而AAA為賴氨酸編碼；其后，有人又用核苷酸比例為已知，但是核苷酸序列隨機(jī)的多聚核苷酸，以及用已知序列的含兩種或兩種以上核苷酸的多聚核苷酸進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，將結(jié)果加以數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理，又解讀了一批密碼子，其中包括三個(gè)終止碼，最后，還有一些密碼子是通過合成已知序列的三聚核苷酸與核蛋白體和載有放射性同位素標(biāo)記的氨基酸的tRNA共沉淀原理予以解讀的。在所有密碼子中，AUG不僅為蛋氨酸編碼，而且又是翻譯(translation,以mRNA上的遺傳信息指導(dǎo)核蛋白體上多肽鏈合成的過程)的起始信號(hào)，UAA、UAG和UGA不為任何氨基酸編碼，而是作為翻譯的終止信號(hào)，統(tǒng)稱為終止碼(stop codon)，又常被叫作無意義碼(nonsense codon)。

大多數(shù)氨基酸是由一個(gè)以上的密碼子所編碼。這個(gè)事實(shí)提出了一個(gè)問題：編碼同一種氨基酸的一組密碼子的使用頻率是否都相同?細(xì)致的分析表明，無論是原核生物，還是高等真核生物，密碼子的使用頻率并不是平均的，有些密碼子的使用率很高，有些則幾乎不使用，其使用頻率主要與細(xì)胞內(nèi)tRNA含量呈正相關(guān)。

(二)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)

tRNA(transfer RNA)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)分子量最小的一類核酸，由70～120核苷酸構(gòu)成，各種tRNA無論在一級(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(rare bases)，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(Ψ，pseudouridine)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)和襻�，F(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(clover leafpattern)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成位點(diǎn)的作用；第三個(gè)環(huán)為gydjdsj.org.cn/yaoshi/TΨ環(huán)，以含胸腺核苷和假尿苷為特征；在反密碼子環(huán)與TΨ環(huán)之間，往往存在一個(gè)襻，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。(圖15－14A)

圖15－14　tRNA的二級(jí)與三級(jí)結(jié)構(gòu)

A.二級(jí)結(jié)構(gòu)(a示反密碼環(huán)及反密碼)

B.三級(jí)結(jié)構(gòu)(數(shù)字示可能的非常見核苷酸對(duì)相互作用)

通過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(圖15－14B)，其中3′末端含CCA�睴H的氨基酸臂位于一端，反密碼子環(huán)位于另一端，DHU環(huán)和TΨ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。

(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(ribosmal protein,rp)有數(shù)十種，大多是分子量不大的多肽類，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，可反映分子量的大小。小亞基由16SrRNA和21種rps構(gòu)成，大亞基由5S、23s rRNA和31種 rpl構(gòu)成。真核生物核蛋白體小業(yè)基含18S rRNA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)(圖15－15)。

圖15－15　原核生物與真核生物核蛋白體的結(jié)構(gòu)比較

(線粒體核蛋白體的結(jié)構(gòu)與原核相似)

無論在試管內(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，也即說這種自我組裝過程是以rRNA為主導(dǎo)的。雖然所有多肽在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)。現(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,smallnuclear RNA)存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，是一類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106?89個(gè)核苷酸，其功能是在hnRNA成熟轉(zhuǎn)變?yōu)閙RNA的過程中，參與RNA的剪接，并且在將mRNA從細(xì)胞核運(yùn)到細(xì)胞漿的過程中起著十分重要的作用(表15－10)。

表15－10　snRNA的種類與功能

小胞漿RNA(scRNA,smallcytosol RNA)又稱為7SL�睷NA，長(zhǎng)約300個(gè)核苷酸，主要存在于細(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(signal recognization particle)的組成成分。