生物化學原理/核酸 II：RNA 及其核苷酸

核糖核酸 (RNA) 是三種主要的大分子 (與 DNA 和蛋白質一起) 之一，它們對所有已知形式的生命至關重要。

與 DNA 類似，RNA 由稱為核苷酸的長鏈組成。每個核苷酸包含一個核鹼基（有時稱為含氮鹼基）、一個核糖糖和一個磷酸基團。核苷酸的序列使 RNA 能夠編碼遺傳資訊。例如，一些病毒使用 RNA 而不是 DNA 作為它們的遺傳物質，所有生物都使用信使 RNA (mRNA) 來攜帶指導蛋白質合成的遺傳資訊。與蛋白質類似，一些 RNA 分子在細胞中發揮積極作用，透過催化生物反應、控制基因表達或感知和傳達對細胞訊號的反應來發揮作用。這些活性過程之一是蛋白質合成，這是一個普遍的功能，其中 mRNA 分子指導核糖體上的蛋白質組裝。這個過程使用轉運 RNA (tRNA) 分子將氨基酸傳遞到核糖體，在那裡核糖體 RNA (rRNA) 將氨基酸連線在一起形成蛋白質。RNA 的化學結構與 DNA 非常相似，但有兩點不同 - (a) RNA 包含核糖糖，而 DNA 包含稍微不同的糖脫氧核糖 (一種缺少一個氧原子的核糖)，(b) RNA 包含核鹼基尿嘧啶，而 DNA 包含胸腺嘧啶 (尿嘧啶和胸腺嘧啶具有相似的鹼基配對特性)。與 DNA 不同，大多數 RNA 分子是單鏈的。單鏈 RNA 分子採用非常複雜的 3D 結構，因為它們不受限制於雙鏈 DNA 的重複雙螺旋形式。RNA 在活細胞內由 RNA 聚合酶合成，RNA 聚合酶是一種酶，透過稱為轉錄或 RNA 複製的過程將 DNA 或 RNA 模板複製到新的 RNA 鏈中。

RNA 的結構

核糖。

溶液中脫氧核糖的化學平衡。

RNA 中的每個核苷酸都包含一個核糖糖，碳原子編號為 1' 到 5'。鹼基連線到 1' 位置，通常是腺嘌呤 (A)、胞嘧啶 (C)、鳥嘌呤 (G) 或尿嘧啶 (U)。腺嘌呤和鳥嘌呤是嘌呤，胞嘧啶和尿嘧啶是嘧啶。一個磷酸基團連線到一個核糖的 3' 位置和下一個核糖的 5' 位置。磷酸基團在生理 pH 值下每個都帶負電荷，使 RNA 成為帶電荷的分子（聚陰離子）。鹼基可以在胞嘧啶和鳥嘌呤之間、腺嘌呤和尿嘧啶之間以及鳥嘌呤和尿嘧啶之間形成氫鍵。然而，其他相互作用也是可能的，例如，一群腺嘌呤鹼基在凸起處結合在一起，或者 GNRA 四環具有鳥嘌呤-腺嘌呤鹼基對。

RNA 中的一個重要結構特徵，使其區別於 DNA，是在核糖糖的 2' 位置存在羥基。該官能團的存在導致螺旋採用 A 形幾何形狀，而不是在 DNA 中最常觀察到的 B 形。這導致一個非常深而窄的主溝和一個淺而寬的次溝。2'-羥基存在的第二個結果是，在 RNA 分子的構象靈活區域（即不參與雙螺旋形成的區域），它可以化學攻擊相鄰的磷酸二酯鍵，從而裂解主鏈。

核糖是一種醛戊糖，即一種包含五個碳原子的單糖，在其開鍊形式中，在末端具有醛官能團。在單糖的傳統編號方案中，碳原子從 C1'（在醛基中）編號到 C5'。脫氧核糖衍生物，存在於 DNA 中，與核糖的不同之處在於在碳 C2' 處具有氫原子代替羥基。與許多單糖一樣，核糖在水中以線性形式 H-(C=O)-(CHOH)4-H 和兩種環形式中的任何一種存在：核呋喃糖 (“C3'-endo”)，具有五元環，和核吡喃糖 (“C2'-endo”)，具有六元環。核呋喃糖形式在水溶液中占主導地位。名稱 D-核糖中的“D-”是指最遠離醛基 (C4') 的手性碳原子的立體化學。在 D-核糖中，與所有 D-糖一樣，這個碳原子具有與 D-甘油醛相同的構型。核糖構成了 RNA 的主鏈，RNA 是一種生物聚合物，是遺傳轉錄的基礎。它與 DNA 中發現的脫氧核糖有關。一旦磷酸化，核糖可以成為 ATP、NADH 和幾種其他對代謝至關重要的化合物的亞基。

RNA 鹼基及其核苷酸

腺嘌呤 (A)

腺嘌呤 (A) 是一種核鹼基（嘌呤衍生物），在生物化學中具有多種作用，包括細胞呼吸，以富含能量的腺苷三磷酸 (ATP) 和輔酶煙醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD) 和黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 的形式存在，以及蛋白質合成，作為 DNA 和 RNA 的化學成分。腺嘌呤的形狀與 DNA 中的胸腺嘧啶或 RNA 中的尿嘧啶互補。

胞嘧啶 (C)

胞嘧啶 (C) 是 DNA 和 RNA 中發現的四種主要鹼基之一，與腺嘌呤、鳥嘌呤和胸腺嘧啶（RNA 中的尿嘧啶）一起。它是一種嘧啶衍生物，具有雜環芳香環和兩個連線的取代基（位置 4 處的胺基和位置 2 處的酮基）。胞嘧啶的核苷是胞嘧啶核苷。

鳥嘌呤 (G)

鳥嘌呤 (G) 是 DNA 和 RNA 中發現的四種主要核鹼基之一，其他三種是腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（RNA 中的尿嘧啶）。在 DNA 中，鳥嘌呤與胞嘧啶配對。鳥嘌呤的化學式為 C5H5N5O，是嘌呤的衍生物，由一個稠合的嘧啶-咪唑環系統組成，具有共軛雙鍵。

尿嘧啶 (U)

尿嘧啶互變異構體：醯胺或內醯胺結構 (左) 和亞胺或內醯亞胺結構 (右)

存在於 RNA 中，它與 腺嘌呤 配對，並在 DNA 轉錄過程中替代 胸腺嘧啶。甲基化 尿嘧啶產生 胸腺嘧啶。它轉變為胸腺嘧啶以保護 DNA 並提高 DNA 複製 的效率。尿嘧啶可以與任何鹼基配對，具體取決於分子在 螺旋 上的排列方式，但很容易與 腺嘌呤 配對，因為甲基被排斥到固定位置。尿嘧啶透過 氫鍵 與腺嘌呤配對。尿嘧啶是 氫鍵受體，可以形成兩個氫鍵。尿嘧啶也可以與 核糖 糖形成 核糖核苷 尿苷。當一個 磷酸鹽 連線到尿苷時，會產生尿苷 5'-單磷酸。

尿嘧啶會發生醯胺-亞胺互變異構，因為該分子可能由於缺乏正式的芳香性而產生的任何核不穩定性，都被環狀醯胺穩定性所抵消。醯胺互變異構體被稱為內醯胺結構，而亞胺互變異構體被稱為內醯亞胺結構。這些互變異構體在pH為7時占主導地位。內醯胺結構是尿嘧啶最常見的形式。

尿嘧啶還可以透過一系列磷酸核糖基轉移酶反應，迴圈利用自身形成核苷酸。尿嘧啶的降解會產生天冬氨酸、二氧化碳和氨作為底物。

C₄H₄N₂O₂ → H₃NCH₂CH₂COO^- + NH₄⁺ + CO₂

在H₂O₂和Fe²⁺的存在下，或者在雙原子氧氣和Fe²⁺的存在下，尿嘧啶的氧化降解會產生尿素和馬來酸。

尿嘧啶是一種弱酸；尿嘧啶的第一個電離位點尚不清楚。 負電荷位於氧陰離子，產生小於或等於12的pK_a。鹼性pK_a = -3.4，而酸性pK_a = 9.38₉。在氣相中，尿嘧啶有4個比水更酸性的位點。

尿嘧啶是一種常見且天然存在的嘧啶衍生物。最初是在1900年發現的，它是由牛胸腺和脾臟、鯡魚精子和小麥胚芽中發現的酵母核酸水解而分離出來的。它是一種平面、不飽和的化合物，能夠吸收光。

來自前體mRNA的髮夾環。突出顯示了核鹼基（綠色）和核糖磷酸骨架（藍色）。

腺苷一磷酸 AMP	腺苷二磷酸 ADP	腺苷三磷酸 ATP
鳥苷一磷酸 GMP	鳥苷二磷酸 GDP	鳥苷三磷酸 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型別

參與蛋白質合成的RNA

信使RNA

信使RNA (mRNA) 是一種RNA分子，編碼蛋白質產物的化學“藍圖”。mRNA是從DNA模板轉錄的，並將編碼資訊傳遞到蛋白質合成的位點：核糖體。在這裡，核酸聚合物被翻譯成氨基酸聚合物：蛋白質。在mRNA中，與DNA一樣，遺傳資訊被編碼在排列成密碼子的核苷酸序列中，每個密碼子由三個鹼基組成。除了終止蛋白質合成的終止密碼子外，每個密碼子都編碼一個特定的氨基酸。這個過程需要另外兩種型別的RNA：轉移RNA (tRNA) 介導密碼子的識別並提供相應的氨基酸，而核糖體RNA (rRNA) 是核糖體蛋白質製造機器的核心組成部分。。

成熟真核mRNA的結構。完全加工的mRNA包括5' 帽子、5' 非翻譯區、編碼區、3' 非翻譯區和poly(A) 尾巴。

核糖體RNA

核糖體核糖核酸 (rRNA) 是核糖體的RNA成分，核糖體是所有活細胞中蛋白質合成的場所。核糖體RNA提供了一種將mRNA解碼成氨基酸的機制，並在翻譯過程中與tRNA相互作用，提供肽基轉移酶活性。tRNA帶來自對應於相應mRNA密碼子的必要的氨基酸。

tRNA

轉移RNA (tRNA) 是一種小的RNA分子（通常約73-95個核苷酸），在翻譯過程中將特定的活性氨基酸轉移到核糖體蛋白質合成位點上生長的多肽鏈上。它有一個3' 末端位點用於氨基酸連線。這種共價連線由氨醯tRNA合成酶催化。它還包含一個稱為反密碼子的三個鹼基區域，可以與mRNA上相應的三個鹼基密碼子區域配對。每種型別的tRNA分子只能連線到一種型別的氨基酸，但由於遺傳密碼包含多個指定相同氨基酸的密碼子，因此具有不同反密碼子的tRNA分子也可以攜帶相同的氨基酸。。

參與轉錄後過程的RNA

小核糖核酸 (snRNA)

小核糖核酸 (snRNA) 是一類在真核細胞的細胞核中發現的小RNA分子。它們由RNA聚合酶II或RNA聚合酶III轉錄，並參與多種重要過程，如RNA剪接（從hnRNA中去除內含子）、轉錄因子的調節（7SK RNA）或RNA聚合酶II（B2 RNA），以及端粒的維持。它們總是與特定的蛋白質相關聯，這些複合物被稱為小核核糖核蛋白 (snRNP)，有時也稱為snurps。這些元件富含尿嘧啶含量。

小核仁RNA (snoRNA)

小核仁RNA (snoRNA) 是一類主要引導其他RNA（主要是核糖體RNA、轉移RNA和小核RNA）化學修飾的小RNA分子。snoRNA有兩大類，C/D盒snoRNA與甲基化相關，而H/ACA盒snoRNA與假尿嘧啶化相關。snoRNA通常被稱為引導RNA，但不應與引導錐蟲中RNA編輯的引導RNA混淆。

轉錄完成後，新生的 rRNA 分子（稱為 pre-rRNA）需要經過一系列的加工步驟才能生成成熟的 rRNA 分子。在被外切酶和內切酶切割之前，pre-rRNA 會經歷複雜的核苷修飾模式。這些修飾包括甲基化和假尿嘧啶化，由 snoRNA 指導。甲基化是在各種底物上新增或取代一個甲基。人類的 rRNA 包含大約 115 個甲基化修飾。其中大多數是 2'O-核糖甲基化（甲基連線在核糖基團上）。假尿嘧啶化是核苷尿嘧啶轉化（異構化）為另一種異構形式假尿嘧啶 (Ψ)。成熟的人類 rRNA 包含大約 95 個 Ψ 修飾。每個 snoRNA 分子僅作為目標 RNA 中單個（或兩個）修飾的引導。為了進行修飾，每個 snoRNA 與至少四個蛋白質分子結合形成一個稱為小核仁核糖核蛋白（snoRNP）的 RNA/蛋白複合物。與每個 RNA 結合的蛋白質取決於 snoRNA 分子的型別（見下文 snoRNA 指導家族）。snoRNA 分子包含一個反義元件（一段 10-20 個核苷酸），該元件與 pre-RNA 分子中被修飾鹼基（核苷酸）周圍的序列互補。這使 snoRNP 能夠識別並結合目標 RNA。一旦 snoRNP 結合到目標位點，相關的蛋白質就會處於正確的位置來催化目標鹼基的化學修飾。

核糖核酸酶 P (RNase P)

核糖核酸酶 P (RNase P) 是一種核糖核酸酶，它可以切割 RNA。RNase P 與其他 RNase 的不同之處在於它是一種核酶 - 一種像蛋白質酶一樣起催化作用的核糖核酸。它的功能是在 tRNA 分子上切割掉額外的或前體序列的 RNA。

端粒酶 RNA

端粒酶 RNA 成分，也稱為 TERC，是真核生物中的一種 RNA 基因，它是用於延長端粒的端粒酶的組成部分。端粒酶 RNA 在脊椎動物、纖毛蟲和酵母之間在序列和結構上差異很大，但它們共享靠近模板序列的 5' 假結結構。脊椎動物端粒酶 RNA 具有 3' H/ACA snoRNA 樣結構域。