核酸化学RNA的结构.

第六章RNA的结构——RNA结构的复杂性和多样性决定RNA结构的复杂性和多样性的因素：与DNA不同,RNA组成是复杂和多样的，RNA组成是的复杂性决定了其结构的复杂性和多样性。有如下决定因素：1.RNA中的碱基配对方式多种多样碱基配对可以由几乎是全排列的各种碱基配对方式。2.两个核苷之间的配对不仅发生在碱基之间，也可发生在碱基与核糖之间，甚至是在核糖与核糖之间。3..修饰核苷酸复杂和多样性：据不完全统计，仅在RNA中已发现的修饰核苷酸（修饰类型前已述及）就有98种。修饰种类的繁多，也是导致RNA结构的复杂性和多样性，进而导致RNA功能多样性的重要因素。一、RNA的一级结构与序列分析（一）RNA的一级结构RNA也是由3→5’的磷酸二酯键连接成的无分支链大分子。RNA分子的形状：细胞RNA：通常都是线形*单链分子。病毒RNA：有双链、*单链、环状、线型多种形式。•RNA的基本组成单位：•NMP：AMP、GMP、CMP、UMP。•这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖是——核糖。RNA种类多，种类不同结构也各不相同。•1.tRNA的一级结构酵母丙氨酸tRNA：是第一个被测定核苷酸序列的RNA，由76个核苷酸组成。tRNA：通常由73～93个核苷酸组成。含有较多的稀有碱基，因而增加了识别和疏水作用。保守序列：tRNA的5′端多为G（也有C），3′端皆为CpCpA-OH尾。tRNA一级结构的保守序列与其特殊的结构和功能有关。•2.rRNA的一级结构细菌rRNA（由30SrRNA前体切割而来）5S16S23S哺乳动物rRNA（由45SrRNA前体切割而来）5S5.8S18S28S•各种rRNA：•5S：120个核苷酸、无修饰成分、与tRNA、大亚基的•rRNA和蛋白质相互识别和作用。•16S：10个甲基化核苷•5.8S：160个核苷酸、有假尿嘧啶修饰核糖、有与细菌•5S相似的序列和某些相似的功能。•18S：43个甲基化核苷•23S：20个甲基化核苷，（还有假尿嘧啶核苷）•28S：74个甲基化核苷，（还有假尿嘧啶核苷）•rRNA的功能：（1）核糖体的骨架（2）与mRNA和tRNA作用，催化肽键的形成。（3）促进蛋白质合成的正常进行。3.真核生物的mRNA的一级结构.mRNA的一级结构mRNA（信使RNA）：是蛋白质合成的直接模板。mRNA的核苷酸序列决定相应蛋白质的氨基酸序列。•真核生物的mRNA的一级结构•如图所示,5’端有帽子结构（cap）,依次为5’非编码区、编码区、3’非编码区，3’端为聚腺苷酸（polyA）尾巴。•真核生物的mRNA的5’端有帽子结构（cap）•——7-甲基鸟苷（图）帽子结构通常有三种类型除真核生物mRNA外，5’端帽子结构也是高等动植物病毒mRNA所特有的，有的病毒RNA具有特殊的帽子结构。这些帽子结构都是转录后早期加上去的。帽子结构对于mRNA的翻译活性是重要的，它可使mRNA免遭外切核酸酶的降解和mRNA与核糖体的结合包括翻译起始区的辨认都是重要的，帽子结构与蛋白质合成的启动有关。75'5'75'75',mGpppNpmGNmpNpmGNmpNmpNp和mRNA中的非编码区无论原核或是真核生物mRNA都存在5‘端和3’端的两个非编码区。由间隔转录得到的非编码区广泛存在于原核生物mRNA中。在噬菌体R17RNA的外壳蛋白和复制酶基因之间还存在相邻的终止密码子UAA和UAG。这种现象可能是噬菌体RNA为了防止密码子读过头而设置的一种重复终止信号，可以保证蛋白质合成的准确终止。二、RNA的二级结构1.RNA的二级结构元件DNA仅有一种二级结构——双螺旋。RNA有多种二级结构元件：单链（无规线团）、双链（茎区）、错配、发夹（茎环）、内环、突环、两茎连接、四茎连接等。二级结构元件的不同组合，可以组成各种不同的RNA二级结构。同样，在此基础上形成更加复杂的三级结构。下面是RNA多种二级结构元件图：2.RNA中的碱基配对方式多种多样DNA中的碱基对：DNA中只有A-T与G-C两种碱基对，并且是标准的Watson-Crick碱基对。这种碱基对具有二次旋转对称性，即一个碱基对翻转180°，并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。DNA的这种配对方式下的两个核苷，它们的核糖处于顺式状态，即两个核糖均在其碱基的同一测。这种配对方式，虽然简单僵硬，却满足了DNA只携带并传递遗传信息一种生物功能的特性，他保证了可携带的遗传信息的多样性、稳定性，保证了遗传信息在信息传递和信息的世代传递中的准确性。•RNA中的碱基配对方式多种多样•RNA的碱基配对方式要多得多。•原因：是核糖核酸主要以单链形式存在，它不具有长的结构规正的双螺旋结构，因此RNA中的碱基对常常以各种基团碱的氢键来维系，碱基配对可以由几乎是全排列的各种碱基配对方式，如A-A、A-G、A-C、A-U等等。•DNA的两个核苷配对方式是，它们的核糖处于顺式状态。•而RNA配对的两个核苷：核糖可以是顺式或反式排列，有时碱基对间的氢键不仅发生在碱基之间，也可发生在碱基与核糖之间，甚至是在核糖与核糖之间，现在已知的RNA碱基配对方式有12类100多种。各种碱基对举例：（1）顺式的Watson-Crick/Watson-Crick碱基对①.两个核苷酸均处于Watson-Crick碱基对的状态，②.配对的两个核苷的核糖处于顺式状态。③但由于RNA分子内的碱基对不受双螺旋结构的束缚，碱基对不限于嘧啶与嘌呤之间，还可以有嘧啶－嘧啶，嘌呤－嘌呤碱基对。④.A-C与C-A虽然均由A与C形成碱基对，且A与C氢键位置也相同，但由于RNA螺旋的不规正性，两者的构象是不同的，⑤.在A-A碱基对中，虽然两个A均处于Watson-Crick状态，但两者的氢键位置是不同的。前一个A的1位N和6位氨基H分别与后一个A的2位H和N形成氢键。图（2）反式的Watson-Crick/Watson-Crick碱基对①.配对的两个核苷的核糖处于反式状态。②.在反式配对的状态下，造成小沟变大，大沟变小。与顺式Watson-Crick/Watson-Crick碱基对中情况相同，在A-C与C-A碱基对间，虽然形成氢键的位置和两个核苷酸均处于反式状态，但它们对螺旋形成的大、小沟宽度的贡献是不同的。（3）顺式的Watson-Crick/核糖对一个核苷的位置处于Watson-Crick的标准状态，另一个核苷处于一特殊的顺式状态。在正常的双螺旋结构中，核糖处于螺旋的外侧，而碱基处于螺旋的内部。因此碱基与核糖间无法形成氢键，但在RNA不规正的短螺旋或者根本只是单个碱基对中，由于核酸链卷曲使得某些核糖与临近的碱基靠近，在此状态下，碱基与核糖间的氢键形成，因此碱基对间的氢键数减少，核糖因其方向改变而形态多变。（4）反式的Watson-Crick/核糖对一个核苷酸的位置处于Watson-Crick的标准状态，另一个核苷酸处于一特殊的反式状态，但氢键的能否形成还决定与两个碱基的距离，故真正的氢键数低于可能形成的氢键数。（5）顺式的核糖/核糖对当两个顺式排列的核苷酸的核糖靠近到一定距离时，两个核糖间可以形成氢键。此时，两个核苷酸的碱基间、一个核苷酸的碱基与另一核苷酸的核糖间也可能形成氢键，这种情况可以发生在任何核苷酸的组合中。（6）反式的核糖/核糖对两个反式排列的核苷酸对中，各自的核糖可以接近对方的碱基。这种接近达到一定距离，可以形成碱基与核糖间的氢键。tRNA的高级结构——二级结构•tRNA的一级结构特点：•5′端多为G（也有C），•3′端皆为CpCpA-OH尾。•*tRNA的二级结构特点：•三环一臂三叶草，可变环在右下角，•反密码环最重要，决定氨基酸谁正好，反密码子互补找（与mRNA互补），•另外一端有长臂（氨基酸臂），行使功能也重要。CCA尾3′端，把氨基酸结合牢。三、RNA的三级结构及其结构元件RNA在二级结构基础上，核酸链再次折叠形成更高级结构——三级结构。三级结构的元件：有假结构、三链结构、环－环结合和螺旋－环结合。环－环结合可看成是特殊的假结构，它比通常的假结构更复杂。螺旋－环结合可堪称是特殊的三链结构，当然它也比通常的三链结构要复杂。因此下面仅简单叙述假结构和三链结构。此外三级结构的维系中，三碱基对中的氢键和三级氢键也起到了重要作用。•RNA三级结构的元件图•tRNA三级结构——倒L型：•tRNA的倒L型结构与核糖体上的空穴相符。•左、右两环构成倒L型的转角。四、RNA的四级结构—RNA与蛋白质复合物核糖核酸的四级结构则更为复杂，但现在知之不多。•如：在人和果蝇身上发现了介导目标mRNA切割过程或者翻译抑制的RNA-蛋白质复合物。•而在果蝇中发现的80S的RNA-蛋白质复合物很可能借此调控生物体的生长发育过程。•五、RNA的测序DNA的快速测序获得成功后，DNA测序的同样原理和方法如化学断裂法和双脱氧法稍加修改都可应用于RNA的测序。RNA的测序方法很多，主要有3种：（一）用酶特异切断RNA链后测序a.从胰脏提取的RNaseA水解嘧啶核苷酸的键，所产生寡核苷酸的3‘端均为嘧啶核苷酸。b.米曲霉中提取的RNaseT1特异水解鸟苷酸与相邻核苷酸的键。c.黑粉菌中提取的RNaseU2在一定条件下特异水解腺苷酸的键。d.从多头粘菌中提取的RNasePhyl水解AGU三种核苷酸，但不水解胞苷酸（-C）。利用上述4种酶可测定RNA的序列。酶切法RNA测序基本步骤为：（1）对核酸的5‘－末端进行放射性同位素标记。（2）选用具有不同核苷酸残基特异性的多种RNA酶，分别对标记的核酸样品进行随机的、不完全的水解，产生多组具有特定不同长度的RNA片段。（3）用聚丙烯腺胺凝胶电泳方法将RNA片段按分子大小进行分离。（4）根据放射自显影胶片上显示的末端标记片段的分布情况，直接读出核酸的核苷酸序列。（与DNA测序方法相似）（二）用化学试剂裂解RNA后测序：基本原理与DNA化学法测序相似。（此法又叫直读法，最简便）。（三）逆转录成cDNA先用逆转录酶将被测RNA逆转录为互DNA（cDNA），即可用DNA测序法来测定序列。新核酸－－四链核酸分为两种：分子内四链：在Na+、K+和铯（Cs+）存在下寡核苷酸能形成分子内四链结构。反平行的四链结构分子间四链平行的四链结构四链核酸的功能还不清楚。引诱物核酸1.短双链或发夹式的寡DNA，作为引诱物，可以与反式因子结合，由于竞争性抑制，基因DNA模板得不到足够的反式因子，而不能顺利转录，这类化合物有相当的毒性和不良反应。因此，它能有效的抑制或杀伤肿瘤细胞。2.小分子调控双链RNA2004年发现，小分子调控双链RNA通过与蛋白质的相互作用，启动了神经元特异基因的表达调控，在神经元分化中起重要作用，它可以看成是天然的引诱物。