核糖核酸(RNA)的合成

核糖核酸的合成是根据一股DNA链某段顺序作模板的核糖核苷酸的聚合作用，是依赖DNA的合成作用；也称DNA转录。RNA合成后通常还要经过加工方成有功能的成熟RNA。
转录 在动物细胞和微生物中都有一种RNA聚合酶，有与DNA聚合酶相似的作用。当有DNA、Mg++或Mn++存在时，此酶可催化四种三磷酸核苷酸聚合生成RNA。反应可简单表示如下：与DNA合成不同，反应不需要引物。
在RNA的合成中，DNA起了模板的作用，即RNA合成是按照DNA一股链上碱基排列顺序生成与DNA互补的RNA链，亦即DNA分子上的胸腺嘧啶与腺嘌呤相对应(T……A)，胞嘧啶与鸟嘌呤相对应(C……G)，腺嘌呤与尿嘧啶相对应 (A……U)。这样就使四种三磷酸核苷 (ATP、CTP、GTP、UTP) 聚合生成与DNA互补的RNA分子。于是，DNA模板上的信息就可传递到RNA分子上。称为DNA的转录。见图1。

图2 节段基因的有意义链↑所指系有意义链

天然的DNA分子多是双链的。体外实验说明，DNA分子的两条链全具有转录功能； 但大肠杆菌内实验结果说明，双链DNA分子中只有一条链可以转录而生成RNA，这条链称为有意义链，另一条链无转录功能，则称为反意义链。这一过程称为 “不对称转录”。反意义链对于生成具有活性的RNA是必要的，但具体作用如何还不清楚(图1)。在一个包含有许多基因的双链DNA分子中，各个基因的有意义链并不一定是同一条链； 也就是说DNA双链中已知的一条链对于有些基因是有意义链。而对另外一些基因则是反意义链(图2)。
转录的全过程可分为四个阶段：
❶RNA聚合酶与模板DNA结合；
❷聚合作用开始；
❸RNA链延长；
❹聚合作用终止(图3)。
(1) RNA聚合酶与模板DNA结合： 在模板的某处有RNA聚合起始位点。RNA聚合酶中的σ因子可辨认此点并以高度亲和性与DNA结合形成复合物。在此结合的区域中，DNA分子中A-T碱基对数量较多。此时DNA分子的构型发生变化，双链在4～8个碱基对范围内解开。
(2) 聚合作用的起始：在“全酶-DNA复合物”形成后，此全酶的构型促使作用物NTP结合于起始位点上，并形成第一个核苷酸间的磷酸二酯键，新生成的RNA链多以三磷酸嘌呤核苷为起点，dppppGp… 或pppAp……。利福平对转录的抑制作用是由于它作用于聚合酶而影响此起始阶段。
(3) RNA链的延长： 当RNA链合成开始后，σ因子就从复合物上脱落下来，再与“核心酶”(E)结合又进入循环。此时，RNA聚合酶由全酶构型变为核心构型。具有核心酶构型时可以沿DNA链滑动，从而促使RNA链的延长生长。RNA核苷酸链的合成方向为5′→3′。利福霉素作用于聚合酶，故对转录有抑制作用，它阻碍RNA链的延长。
(4) 聚合作用的终止： 当聚合酶沿DNA链滑动到“终止信号”区时，终止信号由终止因子ρ辨认，并紧密地综合在特殊位点。 终止位点是由一个CG对丰富的序列和随后约十个AT对序列所组成。RNA聚合酶的滑动受到阻碍，转录作用停止并释放出产物RNA，聚合酶及ρ因子。

图3 转录过程示意图

RNA聚合酶
细菌的RNA聚合酶 对大肠杆菌的RNA聚合酶的研究表明，其分子量为500 000。全酶可分为如下几个亚单位，两个α链(分子量为39 000)、一个β链(分子量为155 000)、一个β′链(分子量为165 000)和一个σ因子(分子量为95 000)。故全酶可用α2ββ′σ表示。去掉σ因子后称为核心酶，即为α2ββ′。
σ因子无催化活性，但它能辨认模板链上的特殊“起始位点”，为促进合成反应开始所必需。待转录开始后，即放出σ因子以利再用，核心酶与σ因子在β链上结合。而利福霉素及利链霉素又均可与β链结合，引起抑制作用。β′链则可能和核苷酸之间第一个连接键的生成有关。
RNA聚合酶可催化rRNA、tRNA及mRNA三类RNA的合成。但是在DNA复制过程中，冈崎片段中小而短命的RNA，则很可能是由另外一种引物酶催化合成。
真核细胞的RNA聚合酶 真核细胞的RNA聚合酶是一复合体系，目前尚不清楚。根据其催化反应的产物、定位及对抑制剂α-鹅膏蕈碱和利福平的敏感性不同，细胞核中RNA聚合酶可分为三种，其分子量大约在50万～70万，兹比较于下页表1。
此外，在线粒体中也有RNA聚合酶，可能催化线粒体RNA的合成，线粒体RNA聚合酶的分子量小，其特性与细菌RNA聚合酶相似。它可被利福平所抑制，而对鹅膏蕈碱则不敏感。

表1 真核细胞核中RNA聚合酶的种类及特性

RNA聚合酶种类	Ⅰ(A)	Ⅱ(B)	Ⅲ(C)
定 位 产 物	核 仁 rRNA	核 质 hnRNA (mRNA前体)	核 质 tRNA 5S RNA
组 成	六个亚基	五个亚基	至少十条肽链
对鹅膏蕈碱 的敏感性	不敏感	低浓度敏感 10-8～10-9mol)	高浓度敏感 (10-4～10-5mol)
对利福平 的敏感性	有抗性	不敏感	不敏感

转录后的加工过程 转录生成的RNA常需经过加工（或称成熟过程），才能成为成熟的RNA。未经加工的RNA被称为前体，加工过程主要有三种变化：
❶修剪，指转录产物在长度上的减短。
❷增添，指核苷酸链从末端上的增长。
❸修饰，指核苷酸链上碱基或糖基发生了化学修饰。
核蛋白体RNA(rRNA) 原核细胞的rRNA包含有16S、23S和5S三种。它们全来自30S的rRNA前体。后者经核酸酶的催化作用分解为17.5S及25S，随后再转变为16S及23S此时核苷酸上还发生甲基化修饰作用。5S也来自30S，但它有自己的独立系统，而且也不发生甲基化作用。
真核细胞的rRNA包含18S、28S、5.8S及5S四种。在其基因中串联有较多的重复单位。在每一个基因单位组成中，除了转录上述核苷酸序列外，还有一些不被转录的序列。现以人Hela细胞为例，用图来表示其加工过程(图4)。对于5S，目前尚未发现其前体。它有自己独立的代谢，但常与大亚单位在一起。在rRNA的成熟过程中也有甲基化作用，大部发生在核苷酸的核糖分子上，只有小部分发生在碱基上。

图4 人Hela细胞rRNA的加工过程

转移RNA(tRNA) 在原核细胞中，tRNA也由前体切除部分序列而产生。有些前体中只包含有一个tRNA序列及其他多余的序列。但另外一些前体中包含有两个tRNA序列及多余的序列。例如T4噬菌体中的tRNAPro—tRNA^Ser前体经过加工过程可产生两个不同的成熟tRNA。
转录产生的tRNA前体要进行以下的加工过程。首先，在核酸酶的作用下，切掉多余的序列。其次，tRNA分子3′末端上的—C—C—A，大部分是在转录后经酶的作用，以CTP及ATP为原料，在不需模板的条件下增添上去的。但也有少数tRNA在转录后就有此—C—C—A末端。此外，还有核苷酸糖基及碱基的甲基化作用，以及有些尿嘧啶残基转变为拟尿嘧啶及二氢尿嘧啶残基等修饰过程。
对于真核细胞的tRNA前体了解还较少。tRNA基因重复地分布在染色体上，各基因之间有一定的间隔区。
信使 RNA (mRNA)在原核细胞中，转录与翻译进行的场所无明显的屏障，mRNA一经转录生成后，立即进行翻译。mRNA的寿命短，代谢活跃。
真核细胞中mRNA的生成有些特点，近年来发现mRNA的结构基因分布在较实际需要更长的序列中。即基因中除有部分是密码区外还有部分是无翻译功能的插入序列。密码区称为外显子，插入序列则称为内含子，是一种发夹式结构。为不同蛋白质编码的mRNA的基因，其外显子及内含子的大小及数量也都不等。例如β珠蛋白基因中有3个外显子，即其密码序列被两个插入序列分割成三个片断。卵清蛋白基因中有8个外显子，其密码序列则被7个插入序列分割成八个片段。转录生成的前体，经切去插入序列后，不连续的密编码序列相互联接成为连续的。这就是剪接过程。
mRNA或其前体生成后还须两种修饰：
❶在5′末端上形成GmTP (7-甲基鸟苷酸)，作为其帽子。
❷在3′末端上增添“PolyA”(由100～200腺苷酸组成的多聚物)，作为尾部。
在真核细胞的细胞核中有一种不均一核RNA (hnRNA)。它可能是mRNA的前体。其根据是： 它们的碱基组成相似，有相同的5′末端帽结构和3′末端尾结构，而且两者全是不均一的分子等。