核糖核酸

核糖核酸（縮寫為RNA，即Ribonucleic Acid），存在於生物細胞以及部分病毒、類病毒中的遺傳信息載體。RNA由核糖核苷酸經磷酸二酯鍵縮合而成長鏈狀分子。一個核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和鹼基構成。RNA的鹼基主要有4種，即A（腺嘌呤）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶），其中，U（尿嘧啶）取代了DNA中的T（胸腺嘧啶）。核糖核酸在體內的作用主要是引導蛋白質的合成。

基本介紹

• 中文名：核糖核酸
• 外文名：Ribonucleic Acid  
• 別名：RNA 
• 構成：磷酸，核糖和鹼基 
• 鹼基：A、G、C、U 
• 本質：長鏈狀分子 
• 作用：引導蛋白質合成 

分類

概述

核糖核酸

人體一個細胞含RNA約10pg（含DNA約7pg）。與DNA相比，RNA種類繁多，分子量較小，含量變化大。RNA可根據結構和功能的不同分為信使RNA和非編碼RNA。非編碼RNA分為非編碼大RNA和非編碼小RNA。非編碼大RNA包括核糖體RNA、長鏈非編碼RNA。非編碼小RNA包括轉移RNA、核酶、小分子RNA等。小分子RNA（20~300nt）包括 miRNA、 SiRNA、 piRNA、scRNA、 snRNA、 snoRNA等，細菌也有小分子RNA（50~500nt）。

信使RNA

信使RNA（mRNA）最早發現於1960年，在蛋白質合成過程中負責傳遞遺傳信息、直接指導蛋白質合成，具有以下特點。

1.含量低，占細胞總RNA的1%~5%。

2.種類多，可達10種。不同基因表達不同的mRNA。

3.壽命短，不同mRNA指導合成不同的蛋白質，完成使命後即被降解。細菌mRNA的平均半衰期約為1.5分鐘。脊椎動物mRNA的半衰期差異極大，平均約為3小時。

4.長度差異大哺乳動物mRNA長度為5×10~1×10nt原核生物與真核生物的mRNA雖然在結構上有差異，但功能一樣，都是指導蛋白質合成的模板。

轉移RNA

轉移RNA（tRNA）在蛋白質合成過程中負責轉運胺基酸、解讀mRNA遺傳密碼。tRNA占細胞總RNA的10%~15%，絕大多數位於細胞質中。tRNA由Crick於1955年提出其存在，Zamecnik和 Hoagland於1957年鑑定。

轉移RNA

1.tRNA一級結構

具有以下特點：

①是一類單鏈小分子RNA，長73~95nt（共有序列76nt），沉降係數4S。

②是含稀有鹼基最多的RNA，含7-15個稀有鹼基（占全部鹼基的15%~20%），位於非配對區。

③5′末端鹼基往往是鳥嘌呤。

④3'端是CCA序列，其中的腺苷酸常稱為A76，其3’—OH是胺基酸結合位點。

2.tRNA二級結構

約50%鹼基配對，形成四段雙螺旋，與五段非配對序列形成三葉草形結構。該結構中存在四臂四環：

①胺基酸臂。

②二氫尿嘧啶臂（DHU臂、D臂）和二氫尿嘧啶環（DHU環、D環），特徵是含二氫尿嘧啶（DHU、D）。

③反密碼子臂和反密碼子環，特徵是反密碼子環含反密碼子。反密碼子5′端與尿苷酸連線，3′端與嘌呤核苷酸連線。TΨC臂（T臂）和TΨC環（Ψ環），特徵是TΨC環含胸腺嘧啶核糖核苷酸T54假尿苷酸Ψ55胞苷酸C56。

④額外環3~21nt。

3.tRNA三級結構

呈L形，胺基酸結合位點位於其一端，反密碼子環位於其另一端，DHU環和TΨC環雖然在二級結構中位於兩側，但在三級結構中卻相鄰。儘管各種tRNA的長度和序列不盡相同，但其三級結構相似，提示三級結構與其功能密切相關。

核糖體RNA

核糖體RNA（rRNA）與核糖體蛋白構成一種稱為核糖體的核蛋白顆粒。一個大腸桿菌中約有15000個核糖體。

1.核糖體組成和結構

原核生物和真核生物的核糖體都由一個大亞基和一個小亞基構成，兩個亞基都由rRNA和核糖體蛋白構成。核糖體、核糖體亞基及rRNA的大小一般用沉降係數表示。

2.核糖體RNA特點

（1）含量高，rRNA是細胞內含量最高的RNA，占細胞總RNA的80%~85%。

（2）壽命長，rRNA更新慢，壽命長。

（3）種類少，原核生物有5S、16S、23s三種rRNA，約占核糖體質量的66%（其中5S，23SrRNA占核糖體大亞基的70%，16S rRNA占核糖體小亞基的60%）；真核生物主要有5S、5.8S、18S、28S四種rRNA，另有少量線粒體rRNA、葉綠體rRNA。大腸桿菌16SrRNA的3'端有一段保守序列 ACCUCCU，可與mRNA中的SD序列互補結合。5 SrRNA有兩段保守序列也已被鑑定：

① CGAAC，可以與tRNA的TΨC環的GTCG互補結合。

② GCGCCGAAUGGUAGU，可以與23SrRNA中的一段序列互補結合。

3.核糖體種類

原核生物只有一類核糖體，真核生物則有位於細胞不同部位的以下幾類：核糖體、游離核糖體、內質網核糖體（又稱附著核糖體）、線粒體核糖體和葉綠體核糖體（植物）。游離核糖體和內質網核糖體實際上是同一類核糖體，它們比原核生物核糖體大，所含的rRNA和蛋白質也多。線粒體核糖體和葉綠體核糖體比原核生物核糖體小。不過，這些核糖體的基本結構和功能一致。

核酶

科學家在研究RNA的轉錄後加工時發現某些RNA有催化活性，可以催化RNA的剪接，這些由活細胞合成、起催化作用的RNA稱為核酶。許多核酶的底物也是RNA，甚至就是其自身，其催化反應也具有專一性。

已經闡明的天然核酶有錘頭狀核酶、髮夾狀核酶、I型內含子、Ⅱ型內含子、丁型肝炎病毒核酶、核糖核酸酶P、肽基轉移酶等。如何評價核酶的理論意義與實際意義，如何看待核酶與傳統意義上的酶在代謝中的地位，都有待進一步研究。

1.核酶發現

核酶最早由Cech和 Altman（1989年諾貝爾化學獎獲得者）發現。1967年，Woese、 Crick與 Orgel等基於RNA二級結構的複雜程度提出其可能有催化活性；1982年，Cech在研究四膜蟲rRNA前體剪接時發現其內含子有自我剪接活性；1983年，Altman在研究細菌tRNA前體時發現核糖核酸酶P中的MRNA參與tRNA前體轉錄後加工；1982年， Kruger等建議將有催化活性的RNA命名為“ ribozyme（核酶）”。

2.核酶特點

到目前為止發現的各種核酶有以下特點。

（1）核酶的化學本質為RNA或RNA片段。有些核糖核蛋白也有催化作用，但活性中心位於其蛋白質成分上，並不屬於核酶，例如端粒酶。然而，如果核糖核蛋白的RNA含活性中心，則該RNA組分就是核酶，例如核糖核酸酶P分子中的M₁RNA。

（2）核酶的底物種類比較少，大多數是自身RNA或其他RNA分子，並因此分為自體催化、異體催化兩種類型。此外還有其他底物，例如肽基轉移酶的底物是氨醯tRNA和肽醯tRNA。

（3）核酶的催化效率比酶低得多。

（4）核酶也具有專一性。例如，M₁RNA只剪下RNA前體5′端的額外核苷酸，不剪下其3′端的額外核苷酸及其他序列。

（5）核酶所催化的反應都是不可逆的。

（6）核酶催化反應時需要Mg，Mg既維持核酶的活性構象，又參與催化反應。

（7）多數核酶在細胞內含量極低。

3.核酶意義

①核酶的發現和研究使我們對RNA的生理功能有了進一步的認識，即它既是遺傳信息的載體，又是生物催化劑，兼有DNA和蛋白質兩類生物大分子的功能。

②核酶的發現動搖了所有生物催化劑都是蛋白質的傳統觀念。

③核酶的發現對於了解生命進化過程具有重要意義，RNA或許是最早出現的生物大分子。

4.核酶套用

①基因治療；②特定RNA降解；③生物感測器；④功能基因組學；⑤基因發現。

細胞中的分布

蟾蜍血塗片（用吡羅紅甲基綠染色液染色）

真核生物90%的RNA分布在細胞質中，少量存在於線粒體、葉綠體和核仁中。

原核生物的RNA分布在細胞質中。

組成結構

核糖核酸

RNA和DNA一樣，也是由各種核苷酸通過3′，5′-磷酸二酯鍵連線構成的多核苷酸鏈，但與DNA有一系列差異。

1.在化學組成方面，RNA含核糖而不含脫氧核糖。含尿嘧啶而不含胸腺密啶。例外的是，每個tRNA分子含有一個胸腺嘧啶，這是在RNA鏈合成後由尿嘧啶甲基化生的，此外，前面已提到，少數DNA含有少量核糖，但這些個別的例外並不能以此否定兩類核酸組成上的差異。

2.RNA一級結構的概念雖與DNA相同.但其基本結構單位是核糖核苷酸而不是脫氧核糖核苷酸。此外，部分RNA5′端或3′端有特殊的核苷酸序列，而且RNA一級結構中沒有DNA那樣複雜的順序組織。

3.絕大多數RNA為單鏈分子，單鏈可自身折迭形成髮夾（hairpin）樣結構而有局部雙螺旋結構的特徵，這是各種RAN空間結構的共同特徵。RNA局部雙螺旋結構中鹼基互補配對規律是A對U和G對C。由於RNA分子內部不能全面形成鹼基配對，故其鹼基克分子比A不等於U，G不等於C，不存在DNA鹼基比例的Chargaff規律。

干擾機制

1998年，美國兩位科學家安德魯·法爾和克雷格·梅洛在《自然》雜誌上共同發表了有關發現RNA（核糖核酸）干擾機制的論文，被同行稱為“近一段時間以來分子生物學最激動人心的發現之一”。

安德魯·法爾1959年出生在美國加利福尼亞州聖克拉拉縣，本科在加利福尼亞大學伯克利分校主修數學，僅用3年時間就拿到了學位。1983年獲美國麻省理工學院生物學博士學位。他逐漸對涉及生命奧秘的遺傳學產生了興趣，並將其作為自己終身的學術追求。

克雷格·梅洛生於1960年，他的父親是一名古生物學家，梅洛童年時經常跟著父親在美國西部尋找化石。

高中時代，梅洛的興趣逐漸轉移到了基因工程方面。當時科學家克隆了人類胰島素基因，並將其DNA（脫氧核糖核酸）置入到細菌中，這樣就可以人工合成無限多的胰島素。這一成果為全球數百萬糖尿病患者帶來了福音。梅洛回憶說：“科學研究能夠真正地對人類健康產生影響，這個想法激起了我的興趣。”

1998年法爾和梅洛在美國卡內基學會工作期間，他們合作發現了RNA干擾機制。

安德魯·法爾稱：“克雷格和我的工作是研究為什麼一些基因會停止運行，我們試圖去控制它們，我們發現了一些東西可以有效地中止它們。這些基因並不能告訴你它們能做什麼，所以如果你能中止它們，你就可以開始了解它們能做什麼。不過，最初發現RNA現象的是一位華人學者，非常可惜，他沒有進一步弄清這是為什麼。”

二人發現的是一個有關控制基因信息流程的關鍵機制。人們的基因組通過從細胞核里的DNA向蛋白質的合成機制發出生產蛋白質的指令，這些指令通過mRNA傳送。他們發現一種可以用特定基因降解mRNA的方式，在這種RNA干擾現象中，雙鏈RNA以一種非常明確的方式抑制了基因表達。這項技術被用於全球的實驗室來確定在各種病症中哪種基因起到了重要作用。

植物、動物、人類都存在RNA干擾現象，這對於基因表達的管理、參與對病毒感染的防護、控制活躍基因具有重要意義。RNA干擾是一個生物過程，在這個過程中雙鏈RNA以一種非常明確的方式抑制了基因表達。自1998年發現以來，RNA干擾已經作為一種強大的“基因沉默”技術而出現。RNA干擾作為研究基因運行的一種研究方法已被廣泛套用於基礎科學，它可能在將來產生更多更新的治療方法。科學家認為，RNA干擾技術不僅是研究基因功能的一種強大工具，不久的未來，這種技術也許能用來直接從源頭上讓致病基因“沉默”，以治療癌症甚至愛滋病，在農業上也將大有可為。

功能

mRNA

mRNA含A、U、G、C四種核苷酸，每三個相聯而成一個三聯體，即密碼，代表一個胺基酸的信息，故按數學中排列組合法則計算，可形成43=64個不同的密碼。根據實驗結果，推得64個密碼與胺基酸的對應關係如下表。

mRNA密碼與胺基酸的對應關係

64個密碼中，61個密碼分別代表各種胺基酸。每種胺基酸少的只有一個密碼，多的可有6個，但以2個及4個的居多數。此外，UAA、UAG、UGA這三個密碼是肽鏈合成的終止信號，不代表任何胺基酸。在真核生物中，AUG既是甲硫氨酸的密碼，又是肽鏈合成的起始信號；而在原核生物中，GUG（在真核生物中是纈氨酸的密碼）和AUG樣，都是甲醯甲硫氨酸的密碼和肽鏈合成的起始相號。可見，除GUG外，所有的密碼從細菌到高等生物都能適用，這一點為生物的共同起源學說提供了有力的佐證。

必需指出：①在mRNA整個分子中，從起始信號直至終止信號，其密碼的三聯體是連續的，密碼與密碼之間沒有間隔的核苷酸；②起始信號AUG並非是mRNA的起始（5′端），而可以和5′端間隔若干個核苷酸；而且終止信號也不在mRNA的3′端。

tRNA

作為“搬運工具”的tRNA有很多種，體內20種胺基酸都有其自已特有的tRNA，所以，tRNA的種類不少於20種。tRNA在ATP供應能量和酶的作用下，可分別與特定的胺基酸結合。每個tRNA都有一個由三個核苷酸編成的“反密碼”。這個反密碼可以根據鹼基配對的原則與mRNA上對應的密碼配對，而且只有當反密碼與mRNA上的密碼相對應時才能配合，否則就“格格不入”。所以在翻譯時，帶著不同胺基酸的各個tRNA就能準確地在mRNA分子上“對號入座”，依次與典密碼相合，這就保證了胺基酸能排列成一定的順序。

tRNA上的反密碼當然應能識別mRNA上相應的、互補的密碼，並與之配對。然而用提純的tRNA來進行實驗時，發現一種tRNA能夠識別幾種密碼。例如，丙氨酸tRNA，其反密碼為IGC（5′＞3′），可以識別三種密碼。

rRNA

rRNA與多種蛋白質分子共同構成核蛋白體。核蛋白體相當於“裝配機”，能促使tRNA所攜帶的氨基醯基縮合成肽。核蛋白體附著在mRNA上，並沿著mRNA長鏈的起始信號向終止信號移動。至於rRNA在蛋白質生物合成中的具體作用還不清楚。