生物競(jìng)賽-生物化學(xué)-11核酶的結(jié)構(gòu)與功能-《生物化學(xué)原理(一)(17張)》課件

1、11第十一章 核酶的結(jié)構(gòu)與功能2第十一章 核酶的結(jié)構(gòu)與功能2提綱一、核酶的種類小核酶大核酶二、核酶的催化機(jī)制小核酶的催化機(jī)制大核酶的催化機(jī)制三、核酶發(fā)現(xiàn)的意義及其應(yīng)用3提綱一、核酶的種類3核酶的種類根據(jù)分子的大小和催化機(jī)制，核酶可以分為小核酶和大核酶，其中小核酶的大小約40154 nt，大核酶有幾百個(gè)到幾千個(gè)nt。小核酶一般是來源于某些動(dòng)、植物病毒的衛(wèi)星RNA，主要包括錘頭狀（hammerhead）核酶、發(fā)夾狀（hairpin）核酶、D型肝炎病毒（HDV）RNA、Varkud衛(wèi)星（VS）核酶和GlmS核開關(guān)。大核酶包括I組和II組自我剪接的內(nèi)含子（self-splicing introns）、

2、催化真核細(xì)胞核mRNA前體剪接的剪接體（spliceosome）、催化tRNA 前體在5端后加工的核糖核酸酶P和催化蛋白質(zhì)生物合成的核糖體。4核酶的種類根據(jù)分子的大小和催化機(jī)制，核酶可以分為小核酶和大核核酶與基于蛋白質(zhì)的酶的比較共同點(diǎn) 只改變反應(yīng)速度，不改變平衡常數(shù)；具有很高的底物專一性；對(duì)溫度和pH等因素的變化敏感；具有較高的催化效率；也可以使用輔助因子來協(xié)助催化；酶活性既可以受到激活，也可以受到抑制；酶的活性也依賴于其特有的三維結(jié)構(gòu)，特別是活性中心的結(jié)構(gòu)，并且也是通過穩(wěn)定反應(yīng)的過渡態(tài)、降低反應(yīng)的活化能來提高速率的。不同點(diǎn) 天然核酶能催化的反應(yīng)較為單調(diào)。幾乎所有已知的天然核酶催化的都是與磷酸

3、二酯鍵有關(guān)的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，功能一般為RNA的后加工。而且，大多數(shù)核酶屬于自催化。此外，核酶催化的反應(yīng)有限，這是因?yàn)槠浠钚灾行哪軌蛱峁┑拇呋鶊F(tuán)很有限。在核酶的活性中心，堿基一般很難有效地作為廣義的酸堿催化劑去參與催化。正因?yàn)槿绱?，幾乎所有天然的核酶都絕對(duì)需要二價(jià)的金屬離子Mg2+或Mn2+。 5核酶與基于蛋白質(zhì)的酶的比較共同點(diǎn)5小核酶的催化機(jī)制此類核酶催化的都是位點(diǎn)特異性剪切/連接反應(yīng)，催化機(jī)制都涉及到一個(gè)被激活的親核基團(tuán)對(duì)一個(gè)磷酸二酯鍵的進(jìn)攻，形成五價(jià)磷過渡態(tài)或半衰期極短的中間物，然后是一個(gè)離去的氧。反應(yīng)的結(jié)果是磷酸基團(tuán)的立體化學(xué)發(fā)生變化。這類核酶在催化機(jī)制上的差別主要是親核基團(tuán)和離去基團(tuán)的不同

4、。四種小核酶都使用內(nèi)部緊靠剪切點(diǎn)的一個(gè)核苷酸上的2-OH為親核基團(tuán)，去取代剪切點(diǎn)上的磷酸二酯鍵的5-O，反應(yīng)產(chǎn)物為帶有2-3磷酸二酯鍵的RNA和一個(gè)游離的5-OH。這樣的反應(yīng)與RNA的堿水解很相似，但核酶催化的是特定位置的單個(gè)磷酸二酯鍵的水解。除了發(fā)夾狀核酶以外，其他都需要金屬離子協(xié)助催化。金屬離子的結(jié)合位點(diǎn)是高度特異性的，不可以用其他帶正電荷的離子代替。6小核酶的催化機(jī)制此類核酶催化的都是位點(diǎn)特異性剪切/連接反應(yīng)， RNA的滾環(huán)復(fù)制以及子代RNA的成熟 7 RNA的滾環(huán)復(fù)制以及子代RNA的成熟 7小核酶所催化的反應(yīng)的基本步驟8小核酶所催化的反應(yīng)的基本步驟8錘頭核酶的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)以及可能的催

5、化機(jī)制9錘頭核酶的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)以及可能的催化機(jī)制9大核酶的催化機(jī)制大核酶催化的反應(yīng)有剪切反應(yīng)、剪接反應(yīng)和轉(zhuǎn)肽反應(yīng)。其中最典型的代表是存在于所有細(xì)胞中的核糖核酸酶P。與其他核酶不同的是，核糖核酸酶P使用水分子作為親核基團(tuán)，并且，核糖核酸酶P既含有RNA，又含有蛋白質(zhì)。 核糖核酸P的催化機(jī)制是依賴于2個(gè)Mg2+的雙金屬催化，1個(gè)Mg2+激活充當(dāng)親核試劑的羥基，使這個(gè)羥基進(jìn)行親核取代，形成一個(gè)新的鍵，取代在3-切開的磷酸基團(tuán)上的氧。另1個(gè)Mg2+與水分子結(jié)合，促使質(zhì)子轉(zhuǎn)移給在3-切開的磷酸基團(tuán)上的氧，從而促進(jìn)產(chǎn)物的釋放。10大核酶的催化機(jī)制大核酶催化的反應(yīng)有剪切反應(yīng)、剪接反應(yīng)和轉(zhuǎn)肽反海棲熱袍菌核糖

6、核酸酶P與tRNAPhe產(chǎn)物形成的復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)11海棲熱袍菌核糖核酸酶P與tRNAPhe產(chǎn)物形成的復(fù)合物的三維核糖核酸酶P催化的剪切反應(yīng)12核糖核酸酶P催化的剪切反應(yīng)12核糖核酸酶P 的催化機(jī)制13核糖核酸酶P 的催化機(jī)制13核酶發(fā)現(xiàn)的意義 “RNA世界”假說支持“RNA世界”假說的證據(jù)RNA也可以充當(dāng)遺傳物質(zhì)，很多病毒以RNA為遺傳物質(zhì)RNA可以充當(dāng)酶，而且可以催化多種不同的反應(yīng)現(xiàn)代的細(xì)胞里，有各種不同的RNA，它們具有多項(xiàng)不同的功能RNA也能參與轉(zhuǎn)錄校對(duì)細(xì)胞合成核苷酸是先合成RNA的組成單位核糖核苷酸，然后再合成DNA的組成單位脫氧核苷酸。此外，細(xì)胞是先合成一般被認(rèn)為是RNA特有的堿基

7、U，然后再合成DNA特有的堿基T許多基于蛋白質(zhì)的酶所需要的輔助因子含有腺苷或腺苷酸，如FAD、NAD+、NADP+和CoA14核酶發(fā)現(xiàn)的意義 “RNA世界”假說14生命進(jìn)化過程中RNA 所起的作用15生命進(jìn)化過程中RNA 所起的作用15核酶的應(yīng)用在對(duì)核酶的作用機(jī)制有了深入理解的基礎(chǔ)上，可以將其改造成一種能在體內(nèi)定向切割特定目標(biāo)RNA分子的工具，并應(yīng)用于多項(xiàng)研究。雖然大多數(shù)天然的核酶催化的是自切割反應(yīng)，但是它們的活性都依賴于各自獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，特別是二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，它們作用的機(jī)理主要依賴于特異性序列通過互補(bǔ)堿基對(duì)來識(shí)別并結(jié)合特異性目標(biāo)序列，因此完全可以在得到一個(gè)特定目標(biāo)RNA的序列之后，按照一種核酶對(duì)結(jié)構(gòu)的基本要求，在體外設(shè)計(jì)出另外一種RNA分子。一旦這種RNA分子與特定目標(biāo)RNA分子相遇，就可以特異性結(jié)合在一起，并自組裝成特定核酶活性所需要的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。于是，特定的目標(biāo)RNA分子充當(dāng)?shù)孜铮斯ぴO(shè)計(jì)的RNA分子充當(dāng)酶，在它們結(jié)合以后，目標(biāo)RNA分子就可以在特定的位點(diǎn)被切開。利用這些核酶，人們可以對(duì)付各種病原