生物竞赛-生物化学-11核酶的结构与功能-杨荣武《生物化学原理(一)(17张PPT)》
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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。
6
RNA的滚环复制以及子代RNA的成熟
7
小核酶所催化的反应的基本步骤
8
锤头核酶的二级和三级结构以及可能的催化机制
9
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。
16
计算机辅助设计出的抗 HIV感 染的核酶及其作用点目标RNA
17
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
14
生命进化过程中RNA 所起的作用
15
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。
10
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
1
第十一章 核酶的结构与功能
2
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
3
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。
11
核糖核酸酶P催化的剪切反应
12
核糖核酸酶P 的催化机制
13
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，
5Baidu Nhomakorabea
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。
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+。
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。
4
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。
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RNA的滚环复制以及子代RNA的成熟
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小核酶所催化的反应的基本步骤
8
锤头核酶的二级和三级结构以及可能的催化机制
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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。
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计算机辅助设计出的抗 HIV感 染的核酶及其作用点目标RNA
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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
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生命进化过程中RNA 所起的作用
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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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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
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第十一章 核酶的结构与功能
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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
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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。
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核糖核酸酶P催化的剪切反应
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核糖核酸酶P 的催化机制
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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，
5Baidu Nhomakorabea
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。
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+。
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。
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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。