简述细菌RNA聚合酶的组成、结构和催化特点.

王镜岩的生物化学,还有各种分子生物学书中都有.

    RNA聚合酶（RNA polymerase）:以一条DNA链或RNA为模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶.

  催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶.如大肠杆菌的 RNA聚合酶有五个亚基组成,其分子量为480000,含有α,β,β’,δ等4种不同的多肽,其中α为两个分子,所以全酶（holoenzyme）的组成是α2ββ’δ.α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心（α2ββ’）的形成有关；β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；β’亚基含有与DNA模板的结合位点；而Sigma因子只与RNA转录的起始有关,与链的延伸没有关系,一旦转录开始,δ因子就被释放,而链的延伸则由四聚体核心酶（core enzyme）催化.所以,δ因子的作用就是识别转录的起始位置,并使RNA聚合酶结合在启动子部位.

  细菌的RNA聚合酶,像DNA聚合酶一样,具有很复杂的结构.其活性形式(全酶)为15S,由5种不同的多肽链构成,按分子量大小排列分别为β'(155000),β(151000),σ(7000),α(36500)和ω(11000).每分子RNA聚合酶除有两个α亚基外,其余亚基均只有一个,故全酶为β'βα2σω(450000）

  如果全酶为球状,则可计算其直径约为100A,即约为双链DNA的30bp节段的长度.然而全酶可结合约60个核苷酸,提示其形状应为椭圆球形.

  σ亚基和其他肽链的结合不很牢固.当σ亚基脱离全酶后,剩下的β'βα2ω称为核心酶.核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酯键的形成,不论有无σ存在的利福平(rifampicin)和利福霉素(rifamycin)能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用.它抑制RNA合成的起始而不抑制其延长.β亚基的基因rpoB的突变可使细菌对利福平有抗性.而另一种抗生素链霉溶菌素(streptolydigin)能抑制RNA链的延长,rpoB的突变却可使细胞对链霉溶菌素亦发生抗性.总的看来β亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位.肝素能与DNA竞争与RNA聚合酶相结合.肝素是一种多价阴子,能和β'亚基结合,从而在体外抑制转录作用.可见β'亚基的碱性较强,适于与模板DNA相结合.α亚基的功能现尚未知.然而,当噬菌体T4感染E.coli时,其α亚基即在精氨酸上被ADP-核糖化.这种修饰作用使该RNA聚合酶全酶对其原先识别的启动子的亲和力减弱.所以有人认为,α亚基的功能可能是识别其相应的启动子.

  为什么细菌的RNA聚合酶需要这么大和复杂的分子结构呢?而某些噬菌体特有的RNA聚合酶则要小得多,仅由一条多肽链组成.这证明RNA合成所需的机构可以远比宿主的酶小.这种情况说明,噬菌体内的转录仅需一条"最小"的机构.然而这种酶只能识别噬菌体本身所有的少数几个启动子;它们不能识别其他启动子.例如噬菌体T3和T7的RNA聚合酶分子很相似,二者都不过是一条多肽链,分子量约11000.它们能很快合成RNA.其速率在37℃时可达约200核苷酸/秒.

  相比之下,宿主细胞的RNA聚合酶却能转录细胞内的许多转录单位(＞1000个)中的任意一个.这些转录单位中有一些可由RNA聚合酶直接转录,不需要其他因子的帮助.但大多数这些转录单位仅在更多的蛋白质因子存在下才能被该RNA聚合酶所转录.所以,可以想像宿主细胞所以要求这样大和复杂,至少部分反映了它需要和许多其他因子相互作用,而不是其催化活性的固有的要求.

  E．coli的RNA聚合酶各亚基的基因(除ω亚基的基因尚不详外)均存在于三个操纵子中,这些操纵子还含有蛋白质合成和DNA合成所需的基因.P71主要启动子(P)均在操纵子的左侧,RNA则向右方合成.次要启动子(p)包括σ操纵子中的一个启动子(PHS,是在热休克条件下才有活性的启动子),均位于操纵子之内.这些次要启动子仅启动在其右侧的基因.β操纵子的前面两个基因L11和L1,有时被认为组成另一个独立的操纵子,因为在L10基因之前另有一启动子.这些基因编码50个左右核糖体蛋白质中的某些蛋白质.σ操纵子中还含有复制所需的蛋白质,即DNA引物酶的基因.现在还不清楚这些操纵子是如何进行调节的.

  σ操纵子有两个连续的启动子,就像rRNA的操纵子一样.受到ppGpp分子的调控,故与生长速度有关.这些操纵子中的基因并不是相等地被转录的:在σ和β操纵子开始中的核糖体蛋白质基因的后面有衰减子(attenuators),可使其后的RNA聚合酶基因的转录大为降低.因此,在每个细胞中RNA聚合酶亚基的数目(约3000个)要大大少于核糖体蛋白质的分子数(约20000个),这是符合细菌的需要的.然而令人不解的是DNA引物酶基因位于σ基因之前,然而在细胞内σ亚基的数目反而要比引物酶分子数多60倍(3000比50).这可能是因为编码引物酶的mRNA节段要比其余mRNA部分不稳定得多.这些操纵子内都有几个次要的启动子,包括σ操纵子内的一个可被热休克所激活,说明实际的调控作用还要更为复杂得多.

  RNA聚合酶（RNA polymerase）的作用是转录RNA.有的RNA聚合酶有比较复杂的亚基结构.如大肠杆菌RNA聚合酶有四条多肽链,另有一个促进新RNA分子合成的σ因子,因此它的组成的是α2ββσ.这种结构称为全酶（holoenzyme）,除去了σ因子的酶称为核心酶.噬菌体RNA聚合酶则没有亚基.

  真核生物的RNA聚合酶分三类.RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中,转录rRNA顺序.RNA聚合酶Ⅱ存在于核质中,转录大多数基因,需要“TATA”框.RNA聚合酶Ⅲ存在于核质中,转录很少几种基因如tRNA基因如5SrRNA基因.有些重复顺序如Alu顺序可能也由这种酶转录.上面提到的“TATA”框又称Goldberg –Hogness顺序,是RNA聚合酶Ⅱ的接触点,是这种酶的转录单位所特有的.它在真核生物的转录基因的5’端一侧,在转录起点上游20至30个核苷酸之间有一段富含AT的顺序.如以转录起始点为0,则在-33到27个核苷酸与-27至21核苷酸之间,有一个“TATA”框.一般是7个核苷酸.原核生物中也类似“TATA”框的结构.RNA聚合酶作用在“TATAAT”（Pribnow）盒和“TTGA－CA”框附近.