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tRNA的结构、功能及合成简介2008年第43卷第1期生物学通报19tRNA的结构,功能及合成简介俎鲁霞徐国恒(北京大学医学部生理系北京100083)中国图书分类号:Q342文献标识码:ADNA是遗传的物质基础.DNA分子中由4种碱基组成的不同的核苷酸的排列顺序携带着不同的遗传信息.DNA分子所储存的遗传信息,必须通过转录传递给信使RNA分子(mRNA),才能到达蛋白质合成的场所核糖体,然后合成蛋白质的酶系再把mRNA所带来的信息翻译成蛋白质.在合成蛋白质的过程中,必须要有能转运氨基酸的tRNA和构成核糖体的rRNA的参与.本文主要就具有转运氨基酸重要功能的tRNA的结构,功能及合成作一简单介绍.在所有原核和真核机体中存在3类主要的RNA分子:mRNA,tRNA,rRNA.mRNA分子量大小不均,一般由几百至几千个核苷酸组成.mRNA携带着指令氨基酸掺人顺序的信息,是蛋白质生物合成的模板.rRNA是胞浆蛋白质合成机器核蛋白体的组成成分.参与蛋白质的合成.tRNA分子较小,长度在7495个核苷酸之问变化.tRNA的种类很多,一种细胞内约有6080种所有的tRNA分子都具有三j:叶草型的二级结构.这种三叶草形结构的主要特征是,含有4个螺旋区,3个环和1个附加又.4个螺旋区构成4个臂,其中含有3末端的螺旋区称为氨基酸臂,因为此臂的3末端都是CCAOH序列,可与氨基酸连接.从5末端起的第1个环以含有二氢尿嘧啶为特征,称为二氢尿嘧啶环fDHU环1;第2个环为反密码子环,其环中部的3个碱基可以与mRNA的i联体密码子形成碱基互补配对,称为反密码子:第3个环含有胸苷(T),假尿苷(),胞苷(C),称为TCC环;此环可能与结合核糖体有关.tRNA在二级结构的基础上进一图1通过对tRNA结构的了解,可以知道每个tRNA分子只有1个由3个核苷酸组成的反密码子,只能结合1种氨基酸,将其转运到核蛋白体上,供蛋白质合成使用.因此合成一段肽链的过程中需要多个tRNA分子的参与.这一点与mRNA不同,合成一段肽链只需要一个mRNA分子作为模板就可以了.体内的20种氨基酸都各有其特定的tRNA,而且一种氨基酸常有几种tRNA.tRNA上的反密码子,只有与mRNA上的密码子相对应时,才能结合,否则格格不入.据此,在翻译时,带着不同氨基酸的各个tRNA就能较为准确地在mRNA分子上对号入座.核酸对氨基酸特异的功能基并没有亲和力,那么tRNA与氨基酸的相互识别是如何实现的呢?原来氨基酸的活化及活化后与相应tRNA的结合过程都是由同一类酶所催化,此类酶称为氨基酰一tRNA合成酶,具有高度的特异性,既能识别特异的氨基酸.又能辨认携带该种氨基酸的特异tRNA分子.细胞内至少需要20种这样的酶才能使20种氨基酸能恰当地连接到各自特异的tRNA分子上.DHU环是特异的氨基酰一tRNA合成酶准确识别相应的tRNA的重要部分之一.tRNA是如何合成的?首先了解一下RNA合成的基本知识.以DNA为模板,在依赖于DNA的RNA聚合酶催化下合成RNA的过程叫做转录.RNA的转录起始于DNA模板的一个特定起点,并在另一终点处终止.此转录区域称为转录单位.当一个基因DNA片段进行转录时,双股DNA只有一条链作为模板.这条链称为模板链;另一条链的脱氧核苷酸序列正好与转录出的RNA的核苷酸序列相同(只是T与U的区别1,叫做编码链.在多基因的双链DNA分子中,每个基因的模板并不是全在同一条单链上,一个双链DNA分子的某条链既可作为某些基因的模板链,也可作为其他基因的编码链.要特别注意的是针对某特定基因的编码链区域的核苷酸序列并无转录功能只能复制.这是保证细胞内基因的正常表达的必要条件.反义核酸技术的原理就是人为合成以编码链为模板的核酸f反义核酸),这些核酸的序列与模板链一致,与对应的mRNA结合形成双链杂交体.从而抑制mRNA的表达.RNA的合成需要RNA聚合酶的催化.真核生物中细胞核内有3种RNA聚合酶即I.II和III,转录不同的基因.这些由不同的RNA聚合酶转录的真核基因分别称为I类基因,II类基因,III类基因.tRNA基因需要在聚合酶III催化下才能转录,因此属于III类基生物学通报2008年第43卷第1期因.那么tRNA基因有什么特征呢?tRNA基因长约140bD.基因之间是重复排列的.每种tRNA基因数从几个到几百个甚至几千个不等.真核生物tRNA基因数目比原核生物大很多,真核生物众多的tRNA基因是分散在不同的基因组上,即使是携带同一种氨基酸的不同tRNA的同功受体tRNA基因也通常位于一条以上的染色体上,构成单个转录单位.tRNA基因以成簇的形式排列,结构基因部分(氨基酸的编码区,又称外显子)常被间隔区(氨基酸的非编码区,又称内含子)所分开.一个转录单位都要含有启动子和终止子2个必须元件.tRNA的合成过程包括起始,延长和终止3个阶段.下面分别介绍:在原核生物中,当RNA聚合酶的8亚基发现其识别位点时,全酶就与启动子的特异序列结合形成一个封闭的启动子复合物.真核生物转录起始十分复杂,需要一类叫做转录因子的蛋白质分子的协助,它们与RNA聚合酶形成转录起始复合物,共同参与转录起始的过程.tRNA基因的启动子位于转录启始的下游,称为下游启动子或内部启动子;Yc类启动子包括:A盒,B盒;启动子需要的转录因子包括:TFIIIC,TFIIIB.转录起始复合物的装配步骤如下:TFIIIC结合于A盒和B盒:TFIIIB结合于A框的上游约50位置,并和TFIIIC相互作用.RNA聚合酶III结合于TFIIIBTFIIICDNA复合物.随后,TFIIIC离开该复合物,此时复合物为转录起始复合物,只需存在4种NTP,就可以转录生成tRNA.装配过程见图2.tRNA链的延长靠RNA聚合酶III的催化,在起始复合物上第1个GTP的核糖3一OH上与DNA模板能配对的第2个三磷酸核苷起反应形成磷酸二酯键.聚合进去的核苷酸又有核糖3一OH游离,这样就可按模板DNA的指引,一个接一个地延长下去.因此RNA链的合成方向也是5一3.c二画r三三三三三三三:=一一一=.一一一一TFIllBo一1Ir(,)上在RNA延长进程中,当RNA聚合酶行进到DNA模板的特定部位终止信号时,RNA聚合酶就不再继续前进,转录终止.由于终止信号中有由GC富集区组成的反向重复序列,在转录生成的mRNA中有相应的发卡结构.此发卡结构可阻碍RNA聚合酶的行进,由此停止了RNA的聚合作用.在终止信号中还有AT富集区,其转录生成的mRNA3末端有多个U残基.通过以上过程生成的是tRNA的前体,即未成熟的tRNA,尚需要在酶的作用下加工修饰后才能成为有活性的成熟的tRNA.下面简单看一下tRNA前体的加工.前体分子在tRNA的5端和3端都有附加的序列,需由核酸内切酶和外切酶加以切除.tRNA前体中包含内含子,可通过剪接作用去除.tRNA前体的3端不含CCA序列,成熟tRNA的CCA序列是由核苷酰转移酶催化CTP和ATP而后加上去的.tRNA前体的加工还有化学修饰作用,包括碱基的甲基化反应,脱氨反应及还原反应等.综上所述,RNA基因尤其是真核生物tRNA基因的数目非常大,每种tRNA基因都有很多拷贝.通过tRNA基因的不对称转录合成的tRNA前体经过加工后成为有活性的tRNA.成熟的tRNA具有特异性转运氨基酸的功能.每种tRNA在特异的氨基酰一tRNA合成酶作用下结合一种氨基酸,将其转运到核蛋白体上,参与蛋白质的合成.主要参考文献1MurrayR.K.,GrannerD.K.,MayesP.A.,Rodwe11V.W.HarpersUlustratedBiochemistry.26thed.McGraw-Hill,2003.2周爱儒.生物化学(第5版).北京:人民卫生出版社,2003.3张遒蘅.生物化学(第2版).北京:北京医科大学出版社,2000.4王金胜.基础生物化学(第1版).北京:中国林业出版社,2003.5敖世洲.真核生物基因的结构与功能.北京:科学出版社.1989.(Email:X.CB)(BH)人类正在加速进化美国科学家近日发现遗传证据表明.人类进化并不像有些人认为的已经停止或维持一个恒定的速度,而是正处在一个加速的阶段.这意味着世界各大陆的人们正变得越来越不同.相关论文12月10日发表于美国国家科学院院刊(PNAS)上.领导此次研究的是美国犹他大学的人类学教授HenryHarpending.他的研究小组分析了270个人的390万种单核苷多态性(SNPs),以寻找过去8万年来遗传变异的证据.这270个人分别来自中国汉族,日本,非洲约鲁巴人部族以及北欧.经过仔细检测,研究人员发现,有7%的人类基因正经历着新近的,快速的变化.更进一步的研究表明,进化速度并不是一直恒定的,新近存在着一个进化的加速Harpending说:不同人种正在朝