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

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 构

一、 RNA通论

RNA的分子结

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RNA

Back

RNA的一级结构

RNA与DNA的差异

DNA 糖

脱氧核糖 碱基 AGCT RNA 核糖 AGCU

5′

OH

不含稀有碱基含稀有碱基

3′

RNA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

Back

OH

OH

RNA

?? RNA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

( internal loop, 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

核蛋白体RNA 信使RNA 转运RNA

rRNA mRNA tRNA

线粒体 mt rRNA

核蛋白体组分 (80%)

mt mRNA (3‐5%) 转运氨基酸 (15%)mt tRNA 蛋白质合成模板

成熟mRNA的前体 参与hnRNA的剪接、转运

rRNA的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成

的信号识别体的组分

功

能

核内不均一RNA HnRNA

SnRNA 核内小RNA 核仁小RNA

SnoRNA

胞浆小RNA scRNA/7SL-RNA

二、tRNA的分子结构

转运RNA(transfer RNA, 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

O

O N N

O

HOCH2 O 5

1??

OH H

N HOCH2 O

1??

HO

OH N9

HOCH2

O O

HN

N

N

NH2

H2

OH CH3 N

N N1 1??

HO OH

OH

(7 ‐methylguanosine 核糖核苷， 7-甲基鸟苷) 胸腺嘧啶 mG 胸苷（T）

N1

H2 H2N N

HOCH2 O

1??

OH H

次黄嘌呤核苷二氢尿嘧啶核苷 假尿嘧啶核苷

( pseudouridine,??) ( inosine, I ) (dihydrouridine)

DHU

2、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

酵 母

3′ A C C 5′

Ala

氨基酸臂，接受臂

的

二 级 结

TψC环

DHU环，D环 （二氢尿嘧啶环）

I G C

额外环，可变环 反密码子环

反密码子

Back

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。 ?不同的tRNA可以结合 不同的氨基酸。

氨酰基

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(ribosomal RNA，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

rRNA 蛋白质 大亚基 rRNA

16S 21种

30S

1542个核苷酸 占重40%

40S

18S 1874个核苷酸 33种

占重50%

23S 5S 31种

50S

2940个核苷酸 120个核苷酸 占重30%

60S

28S 4718个核苷酸 5.8S 160个核苷酸

120个核苷酸 5S 49种

占重35%

蛋白质

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

5s RNA的二级结构

原核生物 16S rRNA 真核生物18S rRNA

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Ribosome Binding

Site(RBS)或SD序列（Shine-Dalgarno sequence），该序列与 16S-rRNA 3’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。

5'

m7Gppp

编码区

AUG

UAA

3'

AAA……An

5'非翻译区 编码蛋氨酸

3'非翻译区

???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:m GpppNm

7

H OH OH

H

NH2

N

N N

H2N

HN

N

O

O- O O H H 5' 5'

O CH2 O P O P O P O N N CH2 O

O- O- O

H3' 2'H 7

N

H H

CH3 O OCH3

7

mRNA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poly A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(triplet code)。 ??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(open reading frame, 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mRNA

1872 nt

鸡卵清蛋白mRNA的成熟

五、非编码RNA ( non-coding RNA, 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-coding RNA, 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、 rRNA

siRNAs、 microRNAs、piRNAs

小分子ncRNA

small non-coding RNA snoRNA、snRNA、scRNA、gRNA、 (sncRNA) (20-500nt) pRNA、tmRNA、RNase P RNA、

Signal recognition particle RNA 大分子ncRNA

Xist、Evf、Air、CTN、 PINK、 lincRNAs（大型插 入性非编码RNA）

非编码RNA non-coding RNA (20-20000nt)

RNA

mRNA

long non-coding RNA (lncRNA) (>500-20000nt)

微小RNA 核仁小RNA

转运-信使RNA（细菌） 核内小RNA （packaging RNA）

核酶

7SL RNA

向导RNA 胞质小RNA

siRNA piRNA

小片段干涉 RNA Piwi-interacting RNA 抵御病毒入侵、转座子转录等 参与配子发生过程

1、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

（small interfering RNAs，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(RNA interference，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(RNA interference，RNAi)。

2006 年诺贝尔生理学或医学奖

Craig Mello Andrew Fire

“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。”

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hda.html