核酸化学RNA的结构

1、 RNA结构的复杂性和多样性结构的复杂性和多样性 决定决定RNA结构的复杂性和多样性的因素：结构的复杂性和多样性的因素： 与与DNA不同不同, RNA组成是复杂和多样的，组成是复杂和多样的，RNA组成是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：因素： 1. RNA中的碱基配对方式多种多样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。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两个核苷之间的配对不仅发生在碱基之间碱基之间，也可发生，也可发生在在碱基与核糖碱基与核糖之间，

2、甚至是在之间，甚至是在核糖与核糖核糖与核糖之间。之间。 3. 修饰核苷酸复杂和多样性：修饰核苷酸复杂和多样性： 据不完全统计，仅在据不完全统计，仅在RNA中已发现的修饰核苷酸中已发现的修饰核苷酸（修饰类型前已述及）就有（修饰类型前已述及）就有 98种。修饰种类的繁多，种。修饰种类的繁多，也是导致也是导致RNA结构的复杂性和多样性，进而导致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。功能多样性的重要因素。 一、一、RNA的一级结构与序列分析的一级结构与序列分析 RNA也是由也是由35的磷酸二酯键的磷酸二酯键连接成的无分支连接成的无分支链大分子。链大分子。 ： 细胞细胞 RNA：通常

3、都是线形：通常都是线形*单链单链分子。分子。 病毒病毒 RNA：有：有双链、双链、*单链、单链、环状、线型环状、线型多种形式。多种形式。 NMP：AMP、GMP、CMP、UMP。 这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖是这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖是核糖核糖。 RNA种类多，种类不同结构也各不相同。种类多，种类不同结构也各不相同。 1. tRNA的一级结构的一级结构 是第一个被测定核苷酸序列的是第一个被测定核苷酸序列的RNA，由，由76个核苷个核苷酸组成。酸组成。 通常由通常由7393个核苷酸组成。个核苷酸组成。含有较多的含有较多的稀有碱基，因而增加了识别和疏水作用稀有碱基，因而增加了识别和疏水作用

4、。 保守序列：保守序列： tRNA 的的5端多为端多为G（也有（也有C），）， 3端皆为端皆为CpCpA-OH尾。尾。 tRNA一级结构的保守序列与其特殊的结构和功能有关。一级结构的保守序列与其特殊的结构和功能有关。 各种各种rRNA：120个核苷酸、无修饰成分、与个核苷酸、无修饰成分、与tRNA、大亚基的、大亚基的 和蛋白质相互识别和作用。和蛋白质相互识别和作用。10个甲基化核苷个甲基化核苷个核苷酸、有假尿嘧啶修饰核糖、有与细菌个核苷酸、有假尿嘧啶修饰核糖、有与细菌 43个甲基化核苷个甲基化核苷个甲基化核苷，（还有假尿嘧啶核苷）个甲基化核苷，（还有假尿嘧啶核苷）个甲基化核苷，（还有假尿嘧啶核

5、苷）个甲基化核苷，（还有假尿嘧啶核苷） rRNA的功能：的功能：（1）核糖体的骨架）核糖体的骨架（2）与）与mRNA和和tRNA作用，催化肽键的形成。作用，催化肽键的形成。（3）促进蛋白质合成的正常进行。）促进蛋白质合成的正常进行。mRNA（信使（信使RNA）：）： 是是蛋白质合成的直接模板。蛋白质合成的直接模板。 mRNA的核苷酸序列的核苷酸序列决定相应蛋白质的氨基酸序决定相应蛋白质的氨基酸序列列。 如图所示如图所示,5端有帽子结构（端有帽子结构（cap）,依次为依次为5非编非编码区、编码区码区、编码区 、 3非编码区，非编码区， 3端为聚腺苷酸端为聚腺苷酸（polyA）尾巴。）尾巴。5端有

6、帽子结构（端有帽子结构（cap） 帽子结构通常有三种类型帽子结构通常有三种类型 除真核生物除真核生物mRNA外，外，5端帽子结构也是高等动植端帽子结构也是高等动植物病毒物病毒mRNA所特有的，有的病毒所特有的，有的病毒RNA具有特殊的帽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。子结构。这些帽子结构都是转录后早期加上去的。 帽子结构对于帽子结构对于mRNA的翻译活性是重要的，它可使的翻译活性是重要的，它可使mRNA免遭外切核酸酶的降解和免遭外切核酸酶的降解和mRNA与核糖体的结合与核糖体的结合包括翻译起始区的辨认都是重要的，帽子结构与蛋白质包括翻译起始区的辨认都是重要的，帽子结构与

7、蛋白质合成的启动有关。合成的启动有关。7557575,m G ppp Np m G NmpNpm G NmpNmpNp和mRNA中的非编码区中的非编码区 无论原核或是真核生物无论原核或是真核生物mRNA都存在都存在5端和端和3端的两端的两个非编码区。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生物mRNA中。在噬菌体中。在噬菌体R17 RNA 的外壳蛋白和复制酶的外壳蛋白和复制酶基因之间还存在相邻的终止密码子基因之间还存在相邻的终止密码子UAA和和UAG 。这种现。这种现象可能是噬菌体象可能是噬菌体RNA为了防止密码子读过头而设置的一为了防止密码

8、子读过头而设置的一种种重复终止信号，可以保证蛋白质合成的准确终止。重复终止信号，可以保证蛋白质合成的准确终止。 1.RNA的二级结构元件的二级结构元件 DNA仅有一种二级结构仅有一种二级结构双螺旋。双螺旋。 RNA有多种二级结构元件：有多种二级结构元件： 单链（无规线团）、双链（茎区）、错配、单链（无规线团）、双链（茎区）、错配、 发夹（茎环）、内环、突环、两茎连接、发夹（茎环）、内环、突环、两茎连接、 四茎连接等。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。二级结构。 同样，在此基础上形成更加复杂的三级结构。同样，在此基

9、础上形成更加复杂的三级结构。 下面是下面是RNA多种二级结构元件图：多种二级结构元件图： 2.RNA中的碱基配对方式多种多样中的碱基配对方式多种多样 DNA中只有中只有A-T与与G-C两种碱基对，并且是标准两种碱基对，并且是标准的的Watson-Crick碱基对。碱基对。这种碱基对具有二次旋这种碱基对具有二次旋转对称性，转对称性，即一个碱基对翻转即一个碱基对翻转180，并不影响，并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只限定了配对双螺旋的对称性，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。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，的这种配对方式下的两个核苷，它们它

10、们的核糖处于顺式状态的核糖处于顺式状态，即两个核糖均在其碱基的，即两个核糖均在其碱基的同一测。同一测。 这种配对方式，虽然简单僵硬，却满足了这种配对方式，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，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。递中的准确性。 RNA中的碱基配对方式多种多样中的碱基配对方式多种多样 RNA的碱基配对方式要多得多。的碱基配对方式要多得多。 原因：原因：是核糖核酸主要以是核糖核

11、酸主要以单链单链形式存在，它不具形式存在，它不具有长的结构规正的双螺旋结构，因此有长的结构规正的双螺旋结构，因此RNA中的中的碱基对常常以各种基团碱的氢键来维系，碱基对常常以各种基团碱的氢键来维系，碱基配碱基配对可以由几乎是全排列的各种碱基配对方式，对可以由几乎是全排列的各种碱基配对方式，如如A-A、A-G、A-C、A-U等等。等等。 DNA的两个核苷配对方式是，的两个核苷配对方式是，它们的核糖处于它们的核糖处于顺式状态。顺式状态。 而而RNA配对的两个核苷：核糖可以是顺式配对的两个核苷：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或反式排列，有时碱基对间的氢键不仅发生在碱基之间，

12、也可发生在碱基与核糖之间，甚至是在基之间，也可发生在碱基与核糖之间，甚至是在核糖与核糖之间，现在已知的核糖与核糖之间，现在已知的RNA碱基配对方碱基配对方式有式有12类类100多种。多种。 各种碱基对举例：各种碱基对举例： （1）顺式的）顺式的Watson-Crick / Watson-Crick碱碱基对基对 . 两个核苷酸均处于两个核苷酸均处于Watson-Crick碱基对的碱基对的状态，状态， .配对的两个核苷的核糖处于顺式状态。配对的两个核苷的核糖处于顺式状态。 但由于但由于RNA分子内的碱基对不受双螺旋结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，还可构的束缚，碱基

13、对不限于嘧啶与嘌呤之间，还可以有以有嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤碱基对嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤碱基对。 . A-C与与C-A虽然均由虽然均由A与与C形成碱基对，且形成碱基对，且A与与C氢键位置也相同，但由于氢键位置也相同，但由于RNA螺旋的不规正螺旋的不规正性，两者的构象是不同的，性，两者的构象是不同的， .在在A-A碱基对中，虽然两个碱基对中，虽然两个A均处于均处于Watson-Crick状态，但两者的氢键位置是不同的。前一状态，但两者的氢键位置是不同的。前一个个A的的1位位N和和6位氨基位氨基H分别与后一个分别与后一个A的的2位位H和和N形成氢键。形成氢键。 图图（2）反式的）反式的Watson-Cric

14、k/ Watson-Crick碱基对碱基对 .配对的两个核苷的核糖处于反式状态配对的两个核苷的核糖处于反式状态。 .在反式配对的状态下，造成小沟变大，大沟在反式配对的状态下，造成小沟变大，大沟变小。变小。 与顺式与顺式Watson-Crick/ Watson-Crick碱基对碱基对中情况相同，在中情况相同，在A-C与与C-A碱基对间，虽然形成氢碱基对间，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。对螺旋形成的大、小沟宽度的贡献是不同的。 （3）顺式的）顺式的Watson-Crick/核糖对核糖对 一个核苷

15、的位置处于一个核苷的位置处于Watson-Crick的标准状态，的标准状态，另一个核苷处于一特殊的顺式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。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。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，但在因此碱基与核糖间无法形成氢键，但在RNA不规正的不规正的短螺旋或者根本只是单个碱基对中，短螺旋或者根本只是单个碱基对中，由于核酸链卷曲使由于核酸链卷曲使得某些核糖与临近的碱基靠近，得某些核糖与临近的碱基靠近，在此状态下，碱基与核在此状态下，碱基与核糖间的氢键形成，因此碱基对间的氢键数减少，核糖因糖

16、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。其方向改变而形态多变。（4）反式的）反式的Watson-Crick/核糖对核糖对 一个核苷酸的位置处于一个核苷酸的位置处于Watson-Crick的标准状态，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。形成的氢键数。 （5）顺式的核糖）顺式的核糖/核糖对核糖对 当两个顺式排列的核苷酸的核糖靠近到一定距离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

17、间可以形成氢键时，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。生在任何核苷酸的组合中。 （6）反式的核糖）反式的核糖/核糖对核糖对 两个反式排列的核苷酸对中，各自的核糖可以接近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。核糖间的氢键。 tRNA的高级结构的高级结构二级结构二级结构 tRNA 的一级结

18、构特点：的一级结构特点： 5端多为端多为G（也有（也有C），）， 3端皆为端皆为CpCpA-OH尾。尾。 *tRNA 的二级结构特点：的二级结构特点： 三环一臂三叶草，可变环在右下角，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，反密码子反密码环最重要，决定氨基酸谁正好，反密码子互补找（与互补找（与mRNA互补），互补）， 另外一端有长臂（氨基酸臂），行使功能也重要。另外一端有长臂（氨基酸臂），行使功能也重要。CCA尾尾 3端，把氨基酸结合牢。端，把氨基酸结合牢。三、三、RNA的三级结构及其结构元件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在二

19、级结构基础上，核酸链再次折叠形成更高级结构级结构三级结构。三级结构。 三级结构的元件：三级结构的元件：有假结构、三链结构、环环有假结构、三链结构、环环结合和螺旋环结合。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，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。对中的

20、氢键和三级氢键也起到了重要作用。 RNA三级结构的元件三级结构的元件图 tRNA三级结构三级结构倒倒L型：型： tRNA的的 倒倒L型结构与核糖体上的空穴相符。型结构与核糖体上的空穴相符。 左、右两环构成倒左、右两环构成倒L型的转角。型的转角。 四、四、RNA 的四级结构的四级结构 RNA与蛋白质复合物与蛋白质复合物 核糖核酸的四级结构则更为复杂，但现在知核糖核酸的四级结构则更为复杂，但现在知之不多。之不多。 如：在人和果蝇身上发现了如：在人和果蝇身上发现了介导目标介导目标mRNA切割切割过程或者翻译抑制的过程或者翻译抑制的RNA-蛋白质复合物。蛋白质复合物。 而在果蝇中发现的而在果蝇中发现的

21、80S的的RNA-蛋白质复合物很蛋白质复合物很可能借此调控生物体的生长发育过程。可能借此调控生物体的生长发育过程。 五、五、RNA的测序的测序 DNA的快速测序获得成功后，的快速测序获得成功后， DNA测测序的同样原理和方法如序的同样原理和方法如化学断裂法和双脱化学断裂法和双脱氧法氧法稍加修改都可应用于稍加修改都可应用于RNA的测序。的测序。RNA的测序方法很多，主要有的测序方法很多，主要有3种：种：（一）用酶特异切断（一）用酶特异切断RNA链链后测序后测序 a. 从胰脏提取的从胰脏提取的RNaseA水解水解嘧啶嘧啶核苷酸的键，核苷酸的键，所产生寡所产生寡 核苷酸的核苷酸的3端均为嘧啶核苷酸。

22、端均为嘧啶核苷酸。 b. 米曲霉中提取的米曲霉中提取的RNaseT1特异水解特异水解鸟苷酸鸟苷酸与与相邻核苷酸相邻核苷酸 的键。的键。 c. 黑粉菌中提取的黑粉菌中提取的RNaseU2在一定条件下特异在一定条件下特异水解水解腺腺苷酸苷酸 的键。的键。 d. 从多头粘菌中提取的从多头粘菌中提取的RNase Phy l 水解水解A G U 三种核苷酸，但不水解胞苷酸（三种核苷酸，但不水解胞苷酸（-C）。）。 利用上述利用上述4种酶可测定种酶可测定RNA的序列。的序列。 酶切法酶切法RNA测序基本步骤为：测序基本步骤为：（1）对核酸的）对核酸的5末端进行放射性同位素标记。末端进行放射性同位素标记。（3）用聚丙烯腺胺凝胶电泳方法将）用聚丙烯腺胺凝胶电泳方法将RNA片段按分子大小片段按分子大小 进行分离。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）根据放射自显影胶片上显