生物化学原理/核酸 II：RNA 及其核苷酸

核糖核酸 (RNA) 是三种主要的大分子 (与 DNA 和蛋白质一起) 之一，它们对所有已知形式的生命至关重要。

与 DNA 类似，RNA 由称为核苷酸的长链组成。每个核苷酸包含一个核碱基（有时称为含氮碱基）、一个核糖糖和一个磷酸基团。核苷酸的序列使 RNA 能够编码遗传信息。例如，一些病毒使用 RNA 而不是 DNA 作为它们的遗传物质，所有生物都使用信使 RNA (mRNA) 来携带指导蛋白质合成的遗传信息。与蛋白质类似，一些 RNA 分子在细胞中发挥积极作用，通过催化生物反应、控制基因表达或感知和传达对细胞信号的反应来发挥作用。这些活性过程之一是蛋白质合成，这是一个普遍的功能，其中 mRNA 分子指导核糖体上的蛋白质组装。这个过程使用转运 RNA (tRNA) 分子将氨基酸传递到核糖体，在那里核糖体 RNA (rRNA) 将氨基酸连接在一起形成蛋白质。RNA 的化学结构与 DNA 非常相似，但有两点不同 - (a) RNA 包含核糖糖，而 DNA 包含稍微不同的糖脱氧核糖 (一种缺少一个氧原子的核糖)，(b) RNA 包含核碱基尿嘧啶，而 DNA 包含胸腺嘧啶 (尿嘧啶和胸腺嘧啶具有相似的碱基配对特性)。与 DNA 不同，大多数 RNA 分子是单链的。单链 RNA 分子采用非常复杂的 3D 结构，因为它们不受限制于双链 DNA 的重复双螺旋形式。RNA 在活细胞内由 RNA 聚合酶合成，RNA 聚合酶是一种酶，通过称为转录或 RNA 复制的过程将 DNA 或 RNA 模板复制到新的 RNA 链中。

RNA 的结构

核糖。

溶液中脱氧核糖的化学平衡。

RNA 中的每个核苷酸都包含一个核糖糖，碳原子编号为 1' 到 5'。碱基连接到 1' 位置，通常是腺嘌呤 (A)、胞嘧啶 (C)、鸟嘌呤 (G) 或尿嘧啶 (U)。腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤，胞嘧啶和尿嘧啶是嘧啶。一个磷酸基团连接到一个核糖的 3' 位置和下一个核糖的 5' 位置。磷酸基团在生理 pH 值下每个都带负电荷，使 RNA 成为带电荷的分子（聚阴离子）。碱基可以在胞嘧啶和鸟嘌呤之间、腺嘌呤和尿嘧啶之间以及鸟嘌呤和尿嘧啶之间形成氢键。然而，其他相互作用也是可能的，例如，一群腺嘌呤碱基在凸起处结合在一起，或者 GNRA 四环具有鸟嘌呤-腺嘌呤碱基对。

RNA 中的一个重要结构特征，使其区别于 DNA，是在核糖糖的 2' 位置存在羟基。该官能团的存在导致螺旋采用 A 形几何形状，而不是在 DNA 中最常观察到的 B 形。这导致一个非常深而窄的主沟和一个浅而宽的次沟。2'-羟基存在的第二个结果是，在 RNA 分子的构象灵活区域（即不参与双螺旋形成的区域），它可以化学攻击相邻的磷酸二酯键，从而裂解主链。

核糖是一种醛戊糖，即一种包含五个碳原子的单糖，在其开链形式中，在末端具有醛官能团。在单糖的传统编号方案中，碳原子从 C1'（在醛基中）编号到 C5'。脱氧核糖衍生物，存在于 DNA 中，与核糖的不同之处在于在碳 C2' 处具有氢原子代替羟基。与许多单糖一样，核糖在水中以线性形式 H-(C=O)-(CHOH)4-H 和两种环形式中的任何一种存在：核呋喃糖 (“C3'-endo”)，具有五元环，和核吡喃糖 (“C2'-endo”)，具有六元环。核呋喃糖形式在水溶液中占主导地位。名称 D-核糖中的“D-”是指最远离醛基 (C4') 的手性碳原子的立体化学。在 D-核糖中，与所有 D-糖一样，这个碳原子具有与 D-甘油醛相同的构型。核糖构成了 RNA 的主链，RNA 是一种生物聚合物，是遗传转录的基础。它与 DNA 中发现的脱氧核糖有关。一旦磷酸化，核糖可以成为 ATP、NADH 和几种其他对代谢至关重要的化合物的亚基。

RNA 碱基及其核苷酸

腺嘌呤 (A)

腺嘌呤 (A) 是一种核碱基（嘌呤衍生物），在生物化学中具有多种作用，包括细胞呼吸，以富含能量的腺苷三磷酸 (ATP) 和辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 的形式存在，以及蛋白质合成，作为 DNA 和 RNA 的化学成分。腺嘌呤的形状与 DNA 中的胸腺嘧啶或 RNA 中的尿嘧啶互补。

胞嘧啶 (C)

胞嘧啶 (C) 是 DNA 和 RNA 中发现的四种主要碱基之一，与腺嘌呤、鸟嘌呤和胸腺嘧啶（RNA 中的尿嘧啶）一起。它是一种嘧啶衍生物，具有杂环芳香环和两个连接的取代基（位置 4 处的胺基和位置 2 处的酮基）。胞嘧啶的核苷是胞嘧啶核苷。

鸟嘌呤 (G)

鸟嘌呤 (G) 是 DNA 和 RNA 中发现的四种主要核碱基之一，其他三种是腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（RNA 中的尿嘧啶）。在 DNA 中，鸟嘌呤与胞嘧啶配对。鸟嘌呤的化学式为 C5H5N5O，是嘌呤的衍生物，由一个稠合的嘧啶-咪唑环系统组成，具有共轭双键。

尿嘧啶 (U)

尿嘧啶互变异构体：酰胺或内酰胺结构 (左) 和亚胺或内酰亚胺结构 (右)

存在于 RNA 中，它与 腺嘌呤 配对，并在 DNA 转录过程中替代 胸腺嘧啶。甲基化 尿嘧啶产生 胸腺嘧啶。它转变为胸腺嘧啶以保护 DNA 并提高 DNA 复制 的效率。尿嘧啶可以与任何碱基配对，具体取决于分子在 螺旋 上的排列方式，但很容易与 腺嘌呤 配对，因为甲基被排斥到固定位置。尿嘧啶通过 氢键 与腺嘌呤配对。尿嘧啶是 氢键受体，可以形成两个氢键。尿嘧啶也可以与 核糖 糖形成 核糖核苷 尿苷。当一个 磷酸盐 连接到尿苷时，会产生尿苷 5'-单磷酸。

尿嘧啶会发生酰胺-亚胺互变异构，因为该分子可能由于缺乏正式的芳香性而产生的任何核不稳定性，都被环状酰胺稳定性所抵消。酰胺互变异构体被称为内酰胺结构，而亚胺互变异构体被称为内酰亚胺结构。这些互变异构体在pH为7时占主导地位。内酰胺结构是尿嘧啶最常见的形式。

尿嘧啶还可以通过一系列磷酸核糖基转移酶反应，循环利用自身形成核苷酸。尿嘧啶的降解会产生天冬氨酸、二氧化碳和氨作为底物。

C₄H₄N₂O₂ → H₃NCH₂CH₂COO^- + NH₄⁺ + CO₂

在H₂O₂和Fe²⁺的存在下，或者在双原子氧气和Fe²⁺的存在下，尿嘧啶的氧化降解会产生尿素和马来酸。

尿嘧啶是一种弱酸；尿嘧啶的第一个电离位点尚不清楚。 负电荷位于氧阴离子，产生小于或等于12的pK_a。碱性pK_a = -3.4，而酸性pK_a = 9.38₉。在气相中，尿嘧啶有4个比水更酸性的位点。

尿嘧啶是一种常见且天然存在的嘧啶衍生物。最初是在1900年发现的，它是由牛胸腺和脾脏、鲱鱼精子和小麦胚芽中发现的酵母核酸水解而分离出来的。它是一种平面、不饱和的化合物，能够吸收光。

来自前体mRNA的发夹环。突出显示了核碱基（绿色）和核糖磷酸骨架（蓝色）。

腺苷一磷酸 AMP	腺苷二磷酸 ADP	腺苷三磷酸 ATP
鸟苷一磷酸 GMP	鸟苷二磷酸 GDP	鸟苷三磷酸 GTP
尿苷一磷酸 UMP	尿苷二磷酸 UDP	尿苷三磷酸 UTP
胞苷一磷酸 CMP	胞苷二磷酸 CDP	胞苷三磷酸 CTP

RNA类型

参与蛋白质合成的RNA

信使RNA

信使RNA (mRNA) 是一种RNA分子，编码蛋白质产物的化学“蓝图”。mRNA是从DNA模板转录的，并将编码信息传递到蛋白质合成的位点：核糖体。在这里，核酸聚合物被翻译成氨基酸聚合物：蛋白质。在mRNA中，与DNA一样，遗传信息被编码在排列成密码子的核苷酸序列中，每个密码子由三个碱基组成。除了终止蛋白质合成的终止密码子外，每个密码子都编码一个特定的氨基酸。这个过程需要另外两种类型的RNA：转移RNA (tRNA) 介导密码子的识别并提供相应的氨基酸，而核糖体RNA (rRNA) 是核糖体蛋白质制造机器的核心组成部分。。

成熟真核mRNA的结构。完全加工的mRNA包括5' 帽子、5' 非翻译区、编码区、3' 非翻译区和poly(A) 尾巴。

核糖体RNA

核糖体核糖核酸 (rRNA) 是核糖体的RNA成分，核糖体是所有活细胞中蛋白质合成的场所。核糖体RNA提供了一种将mRNA解码成氨基酸的机制，并在翻译过程中与tRNA相互作用，提供肽基转移酶活性。tRNA带来自对应于相应mRNA密码子的必要的氨基酸。

tRNA

转移RNA (tRNA) 是一种小的RNA分子（通常约73-95个核苷酸），在翻译过程中将特定的活性氨基酸转移到核糖体蛋白质合成位点上生长的多肽链上。它有一个3' 末端位点用于氨基酸连接。这种共价连接由氨酰tRNA合成酶催化。它还包含一个称为反密码子的三个碱基区域，可以与mRNA上相应的三个碱基密码子区域配对。每种类型的tRNA分子只能连接到一种类型的氨基酸，但由于遗传密码包含多个指定相同氨基酸的密码子，因此具有不同反密码子的tRNA分子也可以携带相同的氨基酸。。

参与转录后过程的RNA

小核糖核酸 (snRNA)

小核糖核酸 (snRNA) 是一类在真核细胞的细胞核中发现的小RNA分子。它们由RNA聚合酶II或RNA聚合酶III转录，并参与多种重要过程，如RNA剪接（从hnRNA中去除内含子）、转录因子的调节（7SK RNA）或RNA聚合酶II（B2 RNA），以及端粒的维持。它们总是与特定的蛋白质相关联，这些复合物被称为小核核糖核蛋白 (snRNP)，有时也称为snurps。这些元件富含尿嘧啶含量。

小核仁RNA (snoRNA)

小核仁RNA (snoRNA) 是一类主要引导其他RNA（主要是核糖体RNA、转移RNA和小核RNA）化学修饰的小RNA分子。snoRNA有两大类，C/D盒snoRNA与甲基化相关，而H/ACA盒snoRNA与假尿嘧啶化相关。snoRNA通常被称为引导RNA，但不应与引导锥虫中RNA编辑的引导RNA混淆。

转录完成后，新生的 rRNA 分子（称为 pre-rRNA）需要经过一系列的加工步骤才能生成成熟的 rRNA 分子。在被外切酶和内切酶切割之前，pre-rRNA 会经历复杂的核苷修饰模式。这些修饰包括甲基化和假尿嘧啶化，由 snoRNA 指导。甲基化是在各种底物上添加或取代一个甲基。人类的 rRNA 包含大约 115 个甲基化修饰。其中大多数是 2'O-核糖甲基化（甲基连接在核糖基团上）。假尿嘧啶化是核苷尿嘧啶转化（异构化）为另一种异构形式假尿嘧啶 (Ψ)。成熟的人类 rRNA 包含大约 95 个 Ψ 修饰。每个 snoRNA 分子仅作为目标 RNA 中单个（或两个）修饰的引导。为了进行修饰，每个 snoRNA 与至少四个蛋白质分子结合形成一个称为小核仁核糖核蛋白（snoRNP）的 RNA/蛋白复合物。与每个 RNA 结合的蛋白质取决于 snoRNA 分子的类型（见下文 snoRNA 指导家族）。snoRNA 分子包含一个反义元件（一段 10-20 个核苷酸），该元件与 pre-RNA 分子中被修饰碱基（核苷酸）周围的序列互补。这使 snoRNP 能够识别并结合目标 RNA。一旦 snoRNP 结合到目标位点，相关的蛋白质就会处于正确的位置来催化目标碱基的化学修饰。

核糖核酸酶 P (RNase P)

核糖核酸酶 P (RNase P) 是一种核糖核酸酶，它可以切割 RNA。RNase P 与其他 RNase 的不同之处在于它是一种核酶 - 一种像蛋白质酶一样起催化作用的核糖核酸。它的功能是在 tRNA 分子上切割掉额外的或前体序列的 RNA。

端粒酶 RNA

端粒酶 RNA 成分，也称为 TERC，是真核生物中的一种 RNA 基因，它是用于延长端粒的端粒酶的组成部分。端粒酶 RNA 在脊椎动物、纤毛虫和酵母之间在序列和结构上差异很大，但它们共享靠近模板序列的 5' 假结结构。脊椎动物端粒酶 RNA 具有 3' H/ACA snoRNA 样结构域。