第十一章 核酶的结构与功能

RNA的滚环复制以及子代RNA的成熟
小核酶所催化的反应的基本步骤
锤头核酶的二级和三级结构以及可能的催化机制
大核酶的催化机制
大核酶催化的反应有剪切反应、剪接反应和转肽反 应。其中最典型的代表是存在于所有细胞中的核糖 核酸酶P。与其他核酶不同的是，核糖核酸酶P使用 水分子作为亲核基团，并且，核糖核酸酶P既含有 RNA，又含有蛋白质。 核糖核酸P的催化机制是依赖于2个Mg2+的双金属催 化，1个Mg2+激活充当亲核试剂的羟基，使这个羟基 进行亲核取代，形成一个新的键，取代在3′-切开的 磷酸基团上的氧。另1个Mg2+与水分子结合，促使质 子转移给在3′-切开的磷酸基团上的氧，从而促进产 物的释放。
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生命进化过程中RNA 所起的作用
核酶的应用
在对核酶的作用机制有了深入理解的基础上，可以将 其改造成一种能在体内定向切割特定目标RNA分子 的工具，并应用于多项研究。虽然大多数天然的核酶 催化的是自切割反应，但是它们的活性都依赖于各自 独特的结构，特别是二级和三级结构。同时，它们作 用的机理主要依赖于特异性序列通过互补碱基对来识 别并结合特异性目标序列，因此完全可以在得到一个 特定目标RNA的序列之后，按照一种核酶对结构的 基本要求，在体外设计出另外一种RNA分子。一旦 这种RNA分子与特定目标RNA分子相遇，就可以特 异性结合在一起，并自组装成特定核酶活性所需要的 二级和三级结构。于是，特定的目标RNA分子充当 底物，人工设计的RNA分子充当酶，在它们结合以 后，目标RNA分子就可以在特定的位点被切开。利 用这些核酶，人们可以对付各种病原体，进行基因治 疗。此外，还可以研究特定基因的功能。
核酶与基于蛋白质的酶的比较
共同点 只改变反应速度，不改变平衡常数；具有很高的底物专一性； 对温度和pH等因素的变化敏感；具有较高的催化效率；也可 以使用辅助因子来协助催化；酶活性既可以受到激活，也可以 受到抑制；酶的活性也依赖于其特有的三维结构，特别是活性 中心的结构，并且也是通过稳定反应的过渡态、降低反应的活 化能来提高速率的。 不同点 天然核酶能催化的反应较为单调。几乎所有已知的天然核酶催 化的都是与磷酸二酯键有关的转酯反应，功能一般为RNA的 后加工。而且，大多数核酶属于自催化。此外，核酶催化的反 应有限，这是因为其活性中心能够提供的催化基团很有限。在 核酶的活性中心，碱基一般很难有效地作为广义的酸碱催化剂 去参与催化。正因为如此，几乎所有天然的核酶都绝对需要二 价的金属离子Mg2+或Mn2+。
第十一章 核酶的结构与功能
提纲
一、核酶的种类
1. 小核酶 2. 大核酶
二、核酶的催化机制
1. 小核酶的催化机制 2. 大核酶的催化机制
三、核酶发现的意义及其应用
核酶的种类
根据分子的大小和催化机制，核酶可以分为小核酶和 大核酶，其中小核酶的大小约40~154 nt，大核酶有几 百个到几千个nt。 小核酶一般是来源于某些动、植物病毒的卫星RNA， 主要包括锤头状（hammerhead）核酶、发夹状（ hairpin）核酶、D型肝炎病毒（HDV）RNA、Varkud 卫星（VS）核酶和GlmS核开关。。 大核酶包括I组和II组自我剪接的内含子（self-splicing introns）、催化真核细胞核mRNA前体剪接的剪接体（ spliceosome）、催化tRNA 前体在5′端后加工的核糖核 酸酶P和催化蛋白质生物合成的核糖体。
海栖热袍菌核糖核酸酶P与tRNAPhe产物形成的复合物的三维结构
核糖核酸酶P催化的剪切反应
核糖核酸酶P 的催化机制
核酶发现的意义
“RNA世界”假说 支持“RNA世界”假说的证据 ① RNA也可以充当遗传物质，很多病毒以RNA为遗传物质 ② RNA可以充当酶，而且可以催化多种不同的反应 ③ 现代的细胞里，有各种不同的RNA，它们具有多项不同 的功能 ④ RNA也能参与转录校对 ⑤ 细胞合成核苷酸是先合成RNA的组成单位核糖核苷酸， 然后再合成DNA的组成单位脱氧核苷酸。此外，细胞是 先合成一般被认为是RNA特有的碱基U，然后再合成 DNA特有的碱基T ⑥ 许多基于蛋白质的酶所需要的辅助因子含有腺苷或腺苷 酸，如FAD、NAD+、NADP+和CoA
计算机辅助设计出的抗 HIV感 染的核酶及其作用点目标RNA
小核酶的催化机制
此类核酶催化的都是位点特异性剪切/连接反应，催化 机制都涉及到一个被激活的亲核基团对一个磷酸二酯键 的进攻，形成五价磷过渡态或半衰期极短的中间物，然 后是一个离去的氧。反应的结果是磷酸基团的立体化学 发生变化。 这类核酶在催化机制上的差别主要是亲核基团和离去基 团的不同。四种小核酶都使用内部紧靠剪切点的一个核 苷酸上的2′-OH为亲核基团，去取代剪切点上的磷酸 二酯键的5′-O，反应产物为带有2′-3′磷酸二酯键的 RNA和一个游离的5′-OH。这样的反应与RNA的碱水 解很相似，但核酶催化的是特定位置的单个磷酸二酯键 的水解。 除了发夹状核酶以外，其他都需要金属离子协助催化。 金属离子的结合位点是高度特异性的，不可以用其他带 正电荷的离子代替。