湖南農(nóng)業(yè)大學生物化學-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)運氨基酸mt tRNA轉(zhuǎn)運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RNA(transfer RNA, tRNA)的主要作用是將氨基酸轉(zhuǎn)運到核糖體-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）；約占細胞RNA總量的15%，由核內(nèi)形成并迅速加工后進入細胞質(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：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。在細胞內(nèi)，mRNA含量很低，僅占細胞中RNA總量的35%左右，但種類非常多，細胞在發(fā)育的不同時期有不同種類的mRNA。 p原核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯在細胞的同一空間進行，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進入到細胞質(zhì)指導蛋白質(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，這是細菌識別起始密碼的主要機制。 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)在所有真核細胞的mRNA中（單細胞真核生物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，進入胞質(zhì)；ü保護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在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。mRNA剛從細胞核進入細胞質(zhì)時，其多聚(A)尾巴一般比較長，隨著mRNA在細胞

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，促進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-信使RNA（細菌）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具高度的進化保守性、表達時序性和組織特異性ØmiRNA序列、結(jié)構(gòu)、豐度和表達方式的多樣性，使其作為蛋白質(zhì)編碼mRNA的強有力的調(diào)節(jié)子。Ø有些miRNA存在多個靶點，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)精細調(diào)控基因的表達。ØmiRNAs參與生命過程中一系列的重要生理過程，包括發(fā)育進程，造血過程，器官形成，凋亡，細胞增殖，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的雙鏈RNA進行切割所產(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的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。Ø基于此機理，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，并將這一現(xiàn)象稱為RNA干涉(RNA interference，RNAi)。2006 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎Craig MelloAndrew Fire“他們的發(fā)現(xiàn)能解釋許多令人困惑、相互矛盾的實驗觀察結(jié)果，揭示了控制遺傳信息流動的基本機制，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RNA( guide RNA, gRNA) ,是指導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,與細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運有關(guān)。細胞核小分子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rRNA上特異位點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、細胞周期及個體發(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)途徑中介導靶mRNA的降解。 (2)根據(jù)ncRNA在細胞內(nèi)的分布分類細胞核小分子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，后者負責組蛋白前體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。 細胞質(zhì)小RNA( small cytoplasmic RNA,scRNA)，分布在細胞質(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進行位點特異性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。它們是真核細胞基因表達的重要調(diào)控因子，是目前倍受關(guān)注、研究最多和進展最快的一類ncRNA。