核糖核酸

  核糖核酸(英语:Ribonucleic acid,缩写:RNA),由至少几十个核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类核酸,因含核糖而得名。是一种重要的生物大分子。每个RNA分子都由核苷酸单元长链组成,每个核苷酸单元含有一个含氮碱基、一个核糖苷和一个磷酸基。RNA是具有细胞结构的生物的遗传讯息中间载体,并参与蛋白质合成;还参与基因表达调控。对一部分病毒而言,RNA是其唯一的遗传物质。RNA的碱基主要有四种,即腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U),另外还有多种特殊碱基存在于特定类型RNA。  与脱氧核糖核酸(DNA)不同的是,RNA一般为单股长分子,但在一般水溶液中会形成分子内双螺旋结构。此外,RNA本身也需要通过碱基配对原则形成一定的二级结构乃至三级结构来行使生物学功能。RNA的碱基配对规则基本上和DNA相同,不过其中尿嘧啶在配对上的作用,相当于DNA中的胸腺嘧啶。  RNA普遍存在于动物、植物、微生物及某些病毒和噬菌体内。RNA和蛋白质生物合成有密切的关系。在RNA病毒和噬菌体内,RNA是遗传信息的载体。RNA一般是单链线形分子;也有双链的如呼肠孤病毒RNA;环状单链的如类病毒RNA;1983年还发现了有支链的RNA分子。

结构

   1965年R.W.霍利等测定了第 1个核酸──酵母丙氨酸转移核糖核酸的一级结构即核苷酸的排列顺序。此后,RNA一级结构的测定有了迅速的发展。到1983年,不同来源和接受不同氨基酸的tRNA已经弄清楚一级结构的超过280种,5S RNA 175种,5.8S RNA也有几十种,以及许多16S rRNA、18S rRNA、23S rRNA和26S rRNA。在mRNA中,如哺乳类珠蛋白mRNA、鸡卵清蛋白mRNA和许多蛋白质激素和酶的mRNA等也弄清楚了。此外还测定了一些小分子RNA如sn RNA和病毒感染后产生的RNA的核苷酸排列顺序。类病毒RNA也有5种已知其一级结构,都是环状单链。MJS2RNA、烟草花叶病毒 RNA、小儿麻痹症病毒RNA是已知结构中比较大的RNA。    除一级结构外,RNA分子中还有以氢键联接碱基(A对U;G对C)形成的二级结构。RNA的三级结构,其中研究得最清楚的是tRNA,1974年用X射线衍射研究酵母苯丙氨酸tRNA的晶体,已确定它的立体结构呈倒L形。    RNA一级结构的测定常利用一些具有碱基专一性的工具酶,将RNA降解成寡核苷酸,然后根据两种(或更多)不同工具酶交叉分解的结果,测出重叠部分,来决定RNA的一级结构。    除上述两种核糖核酸酶外,还有黑粉菌核糖核酸酶(RNase U2),专一地切在腺苷酸和鸟苷酸处,和高峰淀粉酶核糖核酸酶T1联合使用,可以测定腺苷酸在RNA中的位置。多头绒孢菌核糖核酸酶(RNase Phy)除了CpN以外的二核苷酸都能较快地水解,因此和牛胰核糖核酸酶合用可以区别Cp和Up在RNA中的位置。

生物功能和种类

   20世纪40年代,人们从细胞化学和紫外光细胞光谱法观察到凡是 RNA含量丰富的组织中蛋白质的含量也较多,就推测RNA和蛋白质生物合成有关。RNA 参与蛋白质生物合成过程的有3类:转移核糖核酸(tRNA)、信使核糖核酸(mRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)。  mRNA是依据DNA序列转录而成的蛋白质合成模板;tRNA是mRNA上遗传密码的识别者和氨基酸的转运者;rRNA是组成核糖体的部分,而核糖体是蛋白质合成的机械。  细胞中还有许多种类和功能不一的小型RNA,像是组成剪接体(spliceosome)的snRNA,负责rRNA成型的snoRNA,以及参与RNAi作用的miRNA与siRNA等,可调节基因表现。而其他如I、II型内含子、RNase P、HDV、核糖体RNA等等都有催化生化反应过程的活性,即具有酶的活性,这类RNA被称为核酶。

·tRNA

   一类小分子RNA,绝大多数tRNA含有75到95个核苷酸。主要功能是携带并运输氨基酸。带有氨基酸的tRNA(氨酰-tRNA)可以按其反密码子和 mRNA的密码子通过碱基配对的原则,排列在mRNA上。每一种氨基酸至少有一种特异的tRNA与其对应,tRNA种类可以多至60~70种。

·mRNA

   合成蛋白质的模板,种类甚多,大小不一。如果一种蛋白质含 100个氨基酸,根据三联体密码原则,即3个连续的核苷酸决定一个氨基酸,这个蛋白质的mRNA理论上至少有300个核苷酸。事实上许多 mRNA往往还含有不翻译的区域,所以mRNA的实际长度要超过300个核苷酸。 

·rRNA

   组成核糖体的成分。核糖体是细胞质内由蛋白质和核糖核酸组成的一种亚细胞颗粒。是蛋白质合成的场所。核糖体由大小两个亚基组成,每个亚基都含有特定的rRNA和蛋白质。例如大肠杆菌核糖体的小亚基由21种蛋白质和一种RNA组成;大亚基由34种蛋白质和两种RNA组成。核糖体RNA的含量约占细胞RNA总量的80%。由于核糖体是蛋白质合成的场所,因此在蛋白质合成旺盛的组织中核糖体的数目增加,rRNA的含量也相应增大。    1981~1984年间还发现一些RNA具有酶活力,如四膜虫的rRNA前体能催化自身的剪接作用;细菌核糖核酸酶P的RNA组分能单独作用于tRNA前体,切去5′-端多余的核苷酸,成为成熟的tRNA。这些发现打破了过去认为只有蛋白质才具有酶活力的狭隘观点。    此外,由于RNA在细胞内存在的部位不同,有核内不均一核糖核酸(hn RNA),核内小分子核糖核酸(sn RNA)、线粒体RNA、叶绿体RNA等。sn RNA的功能还不十分了解,可能和 hn RNA的剪接有关。hn RNA 是真核生物细胞核内经过不同程度加工的大小不同的mRNA前体。线粒体RNA、叶绿体RNA则包括tRNA、mRNA和rRNA,因为线粒体和叶绿体两种细胞器都有它们独立的转录和翻译系统。

生物合成

   除RNA病毒外,生物体内 RNA 的合成是以细胞内双链 DNA中的一条链作为模板,以腺苷三磷酸(ATP)、鸟苷三磷酸(GTP)、胞苷三磷酸(CTP)和尿苷三磷酸 (UTP)为原料,通过RNA聚合酶的催化而进行的。由于所合成的RNA中核苷酸排列顺序忠实地对应于DNA模板,因此这一过程也称转录。

·RNA聚合酶

   大肠杆菌只有一种聚合酶,无论tRNA、mRNA和 rRNA都由同一种RNA聚合酶催化合成。真核生物则有3种不同的RNA聚合酶,分别催化合成3种不同的RNA,它们在细胞内存在的部位以及对 α-鹅膏蕈碱(一种毒蕈的毒素)的敏感性也都不相同。在线粒体和叶绿体中,各有其自身的RNA聚合酶,以合成细胞器特有的RNA。    病毒或噬菌体合成RNA所用的RNA聚合酶有不同的类型。有些是利用宿主的 RNA聚合酶。例如λ噬菌体感染大肠杆菌后,利用大肠杆菌的RNA聚合酶,按照噬菌体的DNA进行转录,生成噬菌体RNA。有些以RNA为遗传物质的噬菌体,例如MS2感染大肠杆菌后利用宿主的蛋白合成机器先合成RNA聚合酶,然后按照噬菌体的基因组RNA合成RNA进行繁殖,因此这种RNA聚合酶也称为RNA复制酶。另外还有一些结构比较复杂的病毒,则在感染宿主细胞时,把病毒的RNA聚合酶同时带入细胞,进行RNA的合成。

·转录后加工

   按照DNA模板合成的直接产物RNA(即前体RNA)并不都有生物活性,有些必须进一步加工方能成为具有活性的成熟RNA。加工包括剪接(剪去前体RNA中间一些不必要的顺序,并连接起来),加帽(在5′-端加上特定的结构)、加尾(在3′-端加上多聚腺苷酸基团)以及核苷酸的修饰如甲基化等。  

人工合成

   中国科学工作者王德宝等从制备核苷酸原料和各种工具酶开始,利用化学和酶促相结合的方法,合成了几十个长度为2~8核苷酸的寡核苷酸,然后用T4RNA连接酶连接成6个大片段(长度为9~19核苷酸),再接成两个半分子(长度分别为35和41核苷酸),最后于1981年经氢键配对,T4RNA连接酶连接,首次人工合成了76核苷酸的整分子酵母丙氨酸tRNA。它含有全部11种核苷酸(4种常见的和7种修饰核苷酸),并具有完全的生物活性,既能接受丙氨酸,又能将所携带的丙氨酸在蛋白质生物合成体系内参入到蛋白质中去。全部用人工方法,合成了具有生物活性的天然RNA,这在世界上还是第1次。