转移核糖核酸的结构

转移核糖核酸(tRNA)是在蛋白质生物合成中起接受、转运和参入氨基酸作用的一类RNA分子。由75～93个核苷酸组成，沉降系数为4S(个别tRNA只有63个核苷酸，沉降系数为3S)，分子量25,000～30,000。tRNA通常具有三叶草式的二级结构(图1)。整个分子由以下几部分构成：
❶氨基酸接受茎；
❷二氢尿嘧啶茎(D茎);
❸二氢尿嘧啶环(D环);
❹反密码茎；
❺反密码环；
❻可变区（环）;
❼TψC茎(T茎);
❽TψC环(T环)。其中接受茎7对碱基对、反密码茎5对碱基对、TψC茎5对碱基对、反密码环7个核苷酸和TψC环7个核苷酸在各种tRNA中保持不变。一个例外是哺乳动物线粒体丝氨酸tRNA，只有63个核苷酸(沉降系数为3S)，呈现二叶草式二级结构(图2)。

图1 tRNA的二级结构模型
数字表示酵母苯丙氨酸tRNA中各核苷酸位置；圆圈表示存在的核苷酸，其中粗线表示不变或半不变核苷酸；椭圆表示不是在每种tRNA都存在的核苷酸。

tRNA分子上有十余处位置上的核苷酸在所有tRNA中保持不变，例如3′端CCA和TψC序列等。另有十处位置上的核苷酸只发生嘌呤间或嘧啶间的互换。这些不变和半不变的核苷酸在维持tRNA高级结构和完成其生物功能起着重要的作用。
tRNA中存在着大量的修饰核苷酸，已发现的约有60种。tRNA分子少则含2个，多则含19个修饰核苷酸。它们大多分布在环区。特别是反密码子3′端邻位出现修饰核苷酸的频率最高，而且大多属于高度修饰的嘌呤核苷酸，它对于反密码环三级结构的稳定和反密码子与密码子的准确结合有重要作用。

图2 牛心线粒体丝氨酸tRNA的结构

tRNA的三叶草式二级结构最先由Holley等在1965年提出，当时的主要依据是一级结构的信息和Watson-Crick碱基配对的原则。在这个模型中，酵母丙氨酸tRNA由碱基之间形成的氢键产生的碱基对有20～21对，约占整个分子核苷酸总数的53%。以后对许多tRNA分子的物理化学性质进行了广泛的研究，包括一级结构的测定，紫外增色效应分析，红外光谱、旋光色散和核磁共振性质的研究，互补核苷酸片段结合的研究以及自由能的计算等等都与三叶草式的二级结构相吻合。对酵母苯丙氨酸tRNA等的X线衍射分析的结果，证实了三叶草式的二级结构是正确的。tRNA分子的熔点 (Tm) 约60°C。为了便于研究，根据D茎氢键对数目和可变环核苷酸数目的差别，tRNA从结构上可分为三类： 第一类tRNA D茎4个碱基对，可变环5个核苷酸(D₄V₅)，这种结构的tRNA占50%；第二类D茎有3～4个碱基对，可变环有4～5个核苷酸(D₃～₄V₄～₅)，约占26%；第三类D茎为3个碱基对，可变环含有12～21个核苷酸(D₃V₁₂～₂₁)，约占24%。
tRNA的三级结构。1973～1975年间，由于制备适合于高分辨率X线衍射分析的tRNA结晶的成功，Kim、Rich和Robertus等人利用X线衍射方法，分别以二种不同的晶型 （斜方晶和六方晶） 测定了酵母苯丙氨酸tRNA晶体的三维结构，得到了几乎完全一致的结果，提出了酵母tRNA^phe分子的倒L型三级结构模型(图3)。分子全貌像字母L，呈扁平状，长60，厚20, 它是在tRNA二级结构基础上，通过氨基酸接受茎与TψC茎及D茎与反密码茎间折叠成右手反平行的双螺旋。tRNA^phe三级结构是由不变和半不变成分与构成二级结构的核苷酸之间形成茎键（三级结构茎键）维系的。已对多种tRNA的三维结构进行了测定，它们与酵母苯丙氨酸tRNA相似，只是某些参数有所不同。tRNA在溶液中的构型与其晶体结构是一致的。

图3 酵母苯丙氨酸tRNA三级结构链走向图