参与蛋白质生物合成的类

在DNA遗传密码信息表达为蛋白质氨基酸排列顺序的过程中（详见第十章、第十一章），RNA发挥了重要的功能。参与蛋白质生物合成的RNA主要有3类：信使RNA （messengerRNA，mRNA）、转运RNA（transferRNA，tRNA）和核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）。mRNA由DNA模板链转录而合成，携带遗传信息并作为模板指导氨基酸按一定顺序排列合成蛋白质；tRNA具有选择和运输氨基酸的功能；而rRNA与一些蛋白质结合构成核糖体，作为蛋白质合成的场所。

1．信使RNA的结构和功能 1960年，F．Jacob和J．Monod等用放射性同位素示踪实验证实，一类大小不一的RNA才是细胞内合成蛋白质的真正模板。后来证明这类RNA是在核内以DNA为模板转录合成的，然后转移至细胞质作为翻译蛋白质的模板，由于这类RNA的功能很像一种信使作用，因而被命名为信使RNA。

真核细胞在细胞核内最初合成出来的是非均一核RNA（heterogeneous nuclearRNA， hnRNA），它是mRNA的初级产物，需要经过一系列剪接才能成为成熟的mRNA，并依靠特殊机制转移到细胞质，为蛋白质的合成提供模板。在生物体内，mRNA的含量只占细胞RNA总量的2％～5％，但是其种类最多，约有105种之多；而且由于每一种多肽都有一种相对应的mRNA，所以它们的大小也各不相同，呈现出不均一性。

（1）mRNA 5′－端的帽结构：大部分真核细胞mRNA的5′－端以反式的7－甲基鸟嘌呤－三磷酸核苷（m7Gppp N）为起始结构（图7－19），称为5′－帽结构（5′－cap structure）。5′－帽结构是在初始转录物长达20～30个核苷酸时，由鸟苷酸转移酶在其5′－端加上一个甲基化鸟苷酸，与末端起始核苷酸以5′，5′－焦磷酸键连接生成，同时与甲基化鸟苷酸相邻的第1、2个核苷酸戊糖的C－2′通常也被甲基化。原核生物mRNA没有这种特殊的帽结构。

图7－19 mRNA的结构特征

mRNA的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（cap binding protein，CBP）的分子结合形成复合体。这种复合体有助于维持mRNA的稳定性，协同mRNA从细胞核向细胞质的转运，以及促进mRNA与核糖体和翻译起始因子的结合。

（2）mRNA 3′－端的多聚A尾：真核生物mRNA的3′－端是一段80～250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾或多聚A尾［poly（A）tail］。poly（A）尾结构是在mRNA转录完成以后额外加上去的，催化这一反应的是poly（A）转移酶（详见第十章RNA的生物合成）。poly（A）尾在细胞内与poly（A）结合蛋白［poly（A）－binding protein， PABP］结合，每10～20个腺苷酸结合1个PABP分子。这种3′－poly（A）尾结构和5′－帽结构共同负责mRNA从细胞核向细胞质的转运、维持mRNA的稳定性，以及翻译起始的调控。原核生物mRNA不具有poly（A）尾这种特殊结构。

（3）mRNA的功能：mRNA的功能是接受核内DNA碱基序列中的遗传信息，并携带到细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸序列。成熟的mRNA包括5′－非编码区、编码区和3′－非编码区（图7－19）。从编码区5′－端的第1个AUG开始，每3个核苷酸定义为1个密码子（codon）或三联体密码（triplet code）；每一个密码子编码1个氨基酸。AUG称为起始密码子；决定肽链终止的密码子称为终止密码子（TAG、TAA、TGA）。起始密码子与终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框（open reading frame，ORF），ORF内的核苷酸序列决定了多肽链的氨基酸序列（第十一章）。

2．转运RNA的结构和功能 tRNA占细胞总RNA的15％，是细胞内相对分子质量较小的RNA。细胞内tRNA种类很多，每一种氨基酸都有其对应的一种或几种tRNA。已完成一级结构测定的tRNA有100多种，大多数由74～95个核苷酸组成。尽管每一种tRNA都有特定的碱基组成和空间结构，但是它们具有以下一些共性。

（1）tRNA的稀有碱基：稀有碱基是指除A、G、C、U外的一些碱基，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶核苷和甲基化的嘌呤（m7G、m7A）等。正常的嘧啶是杂环的N－1原子与戊糖的C－1′原子连接形成糖苷键，而假尿嘧啶核苷则是杂环的C－5原子与戊糖的C－1′原子相连。tRNA中的稀有碱基占所有碱基的10％～20％，均是转录后修饰而成的。部分稀有碱基的分子结构见图7－20。

（2）tRNA的高级结构：tRNA存在着一些能局部互补配对的核苷酸序列，形成局部的双螺旋结构，中间不能配对的序列则膨出形成环状或襻状结构，称为茎环（stem－loop）结构或发夹（hairpin）结构，呈现出酷似“三叶草”（cloverleaf）的形状（图7－21）。因为位于两侧的发夹结构含有稀有碱基，分别称为DHU环和TΨC环，位于上下的发夹结构则分别是氨基酸臂（amino acid arm）和反密码子环（anticodon loop）。在TΨC环一侧，还有一个额外环（extra loop），不同tRNA的额外环上的核苷酸数目可变，它是tRNA分类的重要标志。虽然TΨC环与DHU环在“三叶草”形的二级结构上各处一方，但是氢键的作用使得它们在空间上相距很近，使得tRNA具有倒“L”形的三级结构（图7－22）。

图7－20 部分稀有碱基的分子结构

图7－21 tRNA的“三叶草”样二级结构

图7－22 tRNA的倒“L”形三级结构

（3）tRNA的功能：tRNA分子中5′－端的7个核苷酸与靠近3′－端的互补序列配对，形成可接收氨基酸的氨基酸臂，又称为氨基酸接纳茎（amino acid acceptor stem）。氨基酸接纳茎的3′－端是CCA－OH，此羟基在氨基酰－tRNA合成酶的催化下与活化的氨基酸以酯键连接，生成氨基酰－tRNA，使tRNA成为氨基酸的载体。有的氨基酸只有一种tRNA转运，而有的氨基酸则有几种tRNA作为载体，这是密码子的简并性原因。

（4）tRNA的反密码子：tRNA的反密码子环由7～9个核苷酸组成，居中的3个核苷酸构成了一个反密码子。这个反密码子可以通过碱基互补规则识别mRNA的密码子。例如携带酪氨酸的tRNA反密码子是5′－GUA－3′，可以与mRNA上编码酪氨酸的密码子5′－UAC－3′互补配对。次黄嘌呤核苷酸（hypoxanthylic acid，I）常出现在反密码子中，它与胞嘧啶核苷酸（C）、尿嘧啶核苷酸（U）或腺嘌呤核苷酸（A）均能配对，有利于tRNA最大限度阅读mRNA上的信息，降低突变引起的误差。在蛋白质生物合成中，氨基酰－tRNA的反密码子依靠碱基互补的方式辨认mRNA的密码子，从而正确地运送氨基酸参与肽链合成。

3．核糖体RNA的结构和功能 rRNA与核糖体蛋白（ribosomal protein）共同构成核糖体。rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80％以上。

原核生物有3种rRNA，依照分子量的大小分为5S、16S、23S（S是大分子物质在超速离心沉降中的沉降系数）。其中16SrRNA与20多种蛋白质结合构成核糖体的小亚基（30S），5S和23SrRNA与30多种蛋白质结合构成大亚基（50S）。真核生物有4种rRNA，大小分别是5S、5．8S、18S和28S。其中18SrRNA与30多种蛋白质结合构成核糖体的小亚基（40S），5S、5．8S、28SrRNA与近50种蛋白质结合构成大亚基（60S）。

多种rRNA的核苷酸序列已经测定，并推测出空间结构，如大肠埃希菌16SrRNA的二级结构呈花状（图7－23），众多的茎环结构为核糖体蛋白的结合和组装提供了结构基础。16SrRNA空间结构的外形与核糖体30S小亚基相似，茎环结构与20余种核糖体蛋白质结合，共同构成30S小亚基（图7－24）。

图7－23 大肠埃希菌16SrRNA的二级结构

图7－24 嗜热栖热菌核糖体30S小亚基的三级结构（PDB ID：4BYD）

（a）16SrRNA的空间结构；（b）rRNA的茎环结构与核糖体蛋白质结合，共同构成30S小亚基

rRNA的主要功能是与多种蛋白质结合构成核糖体，为多肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白因子提供了相互结合和相互作用的空间环境，在蛋白质生物合成中起着“装配工厂”的作用。