湖南农业大学生物化学-02-核酸的结构与功能-02_PDF转换成word转换器

第三章核酸的结构与功能第三章核酸的结构与功能第一节核酸通论第二节核酸基本构件单位—核苷酸第三节DNA的分子结构第四节RNA的分子结构第五节核酸的某些理化性质第六节核酸研究常用技术第四节RNA的分子结构一、RNA通论二、tRNA的分子结构三、rRNA的分子结构四、mRNA的分子结构五、非编码RNABackRNA的一级结构RNA与DNA的差异DNARNA糖脱氧核糖核糖OH碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基5´3´OHRNA分子中各核苷酸之间的连接方式（3´‐5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHBackRNARNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA单链可以发生自身回折，使碱基配对形成局部双螺旋区域，被称作臂(arm)和茎(stem)，不能配对的碱基则形成单链的环状突起(loop)。约有40%～70%的核苷酸参与了双螺旋的形成，所以RNA分子可以形成多环多臂的二级结构。RNA比DNA小的多，RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA二级结构单元发夹(hairpin)茎环结构（stem-loop）膨泡(bulge)内环(internalloop,bubble)假结(pseudoknot)当RNA环与其紧邻的单链区形成配对即可形成RNA的种类、分布、功能细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAtRNAmtrRNA核蛋白体组分(80%)mtmRNA蛋白质合成模板(3‐5%)核蛋白体RNA信使RNA(15%)转运氨基酸mttRNA转运RNA成熟mRNA的前体核内不均一RNA核内小RNAHnRNASnRNA参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰核仁小RNASnoRNA胞浆小RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分二、tRNA的分子结构转运RNA(transferRNA,tRNA)的主要作用是将氨基酸转运到核糖体-mRNA复合物的相应位置用于蛋白质合成。tRNA由74～95个核苷酸组成（4S）；约占细胞RNA总量的15%，由核内形成并迅速加工后进入细胞质。虽然大多数蛋白质仅由20种左右的氨基酸组成，但一种氨基酸可有一种以上的tRNA，细胞内一般有50种以上不同的tRNA。tRNA由于双螺旋比例较高，其二级结构十分稳定。tRNA含有10-15%的稀有碱基。1、tRNA结构特点：含有多种稀有碱基及稀有核苷OOHCH3NNH2ONHNNNNH2NN9NH2NN1OHOCH2ONH2ON15HOCH2OHOCH2HOCH2O1O111OHHHOOHHOOHOH7-甲基鸟苷胸腺嘧啶OHH假尿嘧啶核苷(pseudouridine,)(inosine,I)次黄嘌呤核苷二氢尿嘧啶核苷(7‐methylguanosine)核糖核苷，胸苷（T）(dihydrouridine)DHUmG2、tRNA具有茎环结构tRNA具有局部的茎环(stem‐loop)结构或发卡(hairpin)结构。构成四臂四环的三叶草形结构3´AAlaCC酵母5´氨基酸臂，接受臂的二级结TψC环DHU环，D环额外环，可变环（二氢尿嘧啶环）反密码子环ICGBack反密码子3、tRNA的倒L形三级结构在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型三级结构酵母丙氨酸-tRNA在形成三级结构时，形成了6个新的碱基配对，还有3个由碱基对和另一个碱基形成的三元碱基配对。4、tRNA的3-末端连接氨基酸tRNA的3‐末端都是以CCA结尾。3‐末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。氨酰基不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。5、tRNA的反密码子识别mRNA的密码子tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80％)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。核糖体的组成真核生物核糖体细菌核糖体单位离心场的沉降速度即沉降系数。蛋白质、核酸等大分子沉降系数在1~200×10‐13秒之间。核蛋白体的组成原核生物（以E.coli为例）真核生物（以小鼠为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸占重40%18S1874个核苷酸蛋白质21种33种占重50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S4718个核苷酸5.8S160个核苷酸5S120个核苷酸蛋白质31种占重30%49种占重35%rRNA的分子结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA的二级结构原核生物16SrRNA真核生物18SrRNA蛋白质合成时形成的复合体四、mRNA是蛋白质合成中的模板mRNA又称信使RNA，是蛋白质合成的模板。在细胞内，mRNA含量很低，仅占细胞中RNA总量的3～5%左右，但种类非常多，细胞在发育的不同时期有不同种类的mRNA。原核生物mRNA的转录与翻译在细胞的同一空间进行，两个过程常紧密偶联同时发生。真核生物mRNA的前体在细胞核内合成，包括内含子和外显子的整个基因均被转录，形成分子大小极不均一的RNA，称为核不均一RNA(hnRNA)。hnRNA被加工成为成熟的mRNA进入到细胞质指导蛋白质的合成。原核生物mRNA的特征半衰期短：大多数细菌mRNA在转录开始1分钟后就开始降解。许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在。原核生物mRNA的5’端无帽子结构，3’端没有或只有较短的多聚（A）结构。单顺反子mRNA:只编码一个蛋白质的mRNA。多顺反子mRNA:编码多个蛋白质的mRNA。原核生物mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右位置有一段富含嘌呤碱基的保守序列，被称为RibosomeBindingSite(RBS)或SD序列（Shine-Dalgarnosequence），该序列与16S-rRNA3’端反向互补，这是细菌识别起始密码的主要机制。真核生物mRNA的特征单顺反子形式存在。5’端存在“帽子”结构。绝大多数具有多聚(A)尾巴。编码区5'3'm7GpppAAA……AnAUGUAA3'非翻译区5'非翻译区编码蛋氨酸从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。（1）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构帽子结构:m7GpppNmOHHNH2HOHNNO-ONOHH5'5'OCH2OPOPOPOCH2OH2NNONNO-O-O7H3'2'HHNNHHOCH3CH3O7mRNA的帽子结构常常被甲基化零类帽子（cap0）：第一个甲基出现在所有真核细胞的mRNA中（单细胞真核生物mRNA主要是这个结构），称为零类帽子。1类帽子(cap1)：如在第二个核苷酸的2’-OH位上加另一个甲基。一般把有这两个甲基的结构称为1类帽子。真核生物主要含1类帽子。2类帽子(cap2):在某些生物细胞内，mRNA链上的第三个核苷酸的2’-OH位也可能被甲基化，被称为2类帽子。只占有帽mRNA总量的10%-15%以下。帽子结构的功能有助于mRNA越过核膜，进入胞质；保护5′不被核酶降解；翻译时供IFⅢ（起始因子）和核糖体识别，是翻译所必需的。（2）真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构除组蛋白基因外，真核细胞mRNA在3’-末端有一段长约40-200个核苷酸的多聚腺苷酸(polyA)。polyA的出现不依赖DNA模板,是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。提高了mRNA在细胞质中的稳定性。mRNA刚从细胞核进入细胞质时，其多聚(A)尾巴一般比较长，随着mRNA在细胞质内逗留时间延长，多聚(A)逐渐变短消失。它可促进核糖体的有效循环。一旦核糖体完成了通过polyA尾而环化的mRNA的翻译，新释放的核糖体被理想地置于同一mRNA的起始翻译位点，促进了核糖体的有效循环利用。（3）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子（UAA，UGA，UAG）。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。（4）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA1872nt鸡卵清蛋白mRNA的成熟五、非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)随着人类基因组计划的完成和研究工作的不断深入，发现高级真核生物的转录产物超过97%是不编码蛋白质的。不编码蛋白质,以RNA形式发挥作用的RNA称非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)。ncRNA种类繁多，除rRNA和tRNA以外的其它ncRNA，可以从不同的角度对其进行分类。tRNA、rRNAsiRNAs、microRNAs、piRNAs小分子ncRNAsmallnon-codingRNAsnoRNA、snRNA、scRNA、gRNA、(sncRNA)(20-500nt)pRNA、tmRNA、RNasePRNA、SignalrecognitionparticleRNA非编码RNAnon-codingRNA(20-20000nt)RNA大分子ncRNAXist、Evf、Air、CTN、PINK、lincRNAs（大型插入性非编码RNA）longnon-codingRNA(lncRNA)(500-20000nt)mRNA微小RNA核仁小RNA转运-信使RNA（细菌）核内小RNA（packagingRNA）核酶7SLRNA向导RNA胞质小RNAsiRNApiRNA小片段干涉RNA抵御病毒入侵、转座子转录等参与配子发生过程Piwi-interactingRNA1、microRNA（miRNA）内生的、长度约20-24个核苷酸的小RNA,miRNAs具高度的进化保守性、表达时序性和组织特异性miRNA序列、结构、丰度和表达方式的多样性，使其作为蛋白质编码mRNA的强有力的调节子。有些miRNA存在多个靶点，另一些则是多个miRNA作用于一个靶基因，它们形成复杂的调节网络精细调控基因的表达。miRNAs参与生命过程中一系列的重要生理过程，包括发育进程，造血过程，器官形成，凋亡，细胞增殖，甚至是肿瘤发生。2、小片段干扰RNA（smallinterferingRNAs，siRNA)siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNAinterference，RNAi)技术。随着构建dsRNA技术的日益完善，RNAi技术已广泛用于探索基因功能，开展基因治疗和新药开发，研究信号传导通路等领域。1998年，Fire和Mello首次揭示双链RNA能够特异抑制具有相同序列的靶mRNA的表达，并将这一现象称为RNA干涉(RNAinterference，RNAi)。2006年诺贝尔生理学或医学奖CraigMelloAndrewFire“他们的发现能解释许多令人困惑、相互矛盾的实验观察结果，揭示了控制遗传信息流动的基本机制，开启了一个新的研究领域。”(1)按照ncRNA的功能分类①催化RNA(cataliticRNA,cRNA),是有催化功能的RNA分子,亦称核酶。②类似mRNA的RNA,即3'‐端有PolyA,无典型ORF,不编码蛋白质的RNA分子。与细胞的生长和分化、胚胎的发育、肿瘤的形成和抑制密切相关。③指导RNA(guideRNA,gRNA),是指导mRNA编辑的小RNA