四 RNA 作为催化剂的化学本质

磷元素在生命化学过程中起着重要作用，磷酯基团充分胜任 DNA、RNA 的桥连基团的角色。这是因为磷酯基团既能连接两个核苷基团，又能保证自身的离子化。其离子化不仅可使核酸分子能存在于磷脂生物膜中， 而且能防止被水解，确保核酸分子的稳定。磷酯基团的这些特殊功能是其他基团所无法替代的。

不仅如此，我们的工作还证实了：由于磷酯基团的存在，能导致一系列不需要酶作用而发生的生化反应，这是其他基团所无法替代的，而Ribozyme 的催化机理正是其中一种在磷酯基团作用下发生的自发反应。磷酯基团的特殊功能与磷原子的原子结构密切相关。磷位于元素周

期表近中心位置，外层有 3 个未成对的 p 电子和 5 个 3d 空轨道。其 3s、3p 及 3d 轨道的能量较为接近，易形成 sp³、sp³d、sp³d² 等多种杂化轨道， 具有形成 4、5、6 等根化学键的能力。核酸磷酯基团中的磷为五配位结构，由于磷原子具有较多可利用的空电子轨道，配位数较多以及各化合价态间在一定条件下较易相互转化，使得该磷酯基团上的磷极易受亲核试剂的进攻，导致亲核反应的发生。Ribozyme 的催化过程就是发生在磷原子上的一系列亲核反应，其中最重要的亲核基因是羟基——OH。

RNA 催化过程中，亲核基团羟基对磷原子的亲核进攻过程参见图 5。亲核基团可来自其他 RNA 分子（异体催化），也可来自其本身（自体催化）。

这种羟基的亲核进攻只有含有 2′-羟基的 RNA 可以胜任，这是因为在磷原子被羟基亲核进攻前，2′-羟基可能先进攻邻位（3′位）上的磷酯基，形成了五元环过渡态，这种五元环很不稳定，其开环速率是非环结构的 10⁶ 倍。因此极易被外来的亲核羟基所进攻，导致开环并发生相应的化学键断裂。而不含有游离的 2′-羟基的 DNA 却无法形成这种易受进攻的五元环辅助过渡态，这就解释了为什么 RNA 具有催化能力而 DNA 却未被发现具有催化能力。同时，由于游离 2′-羟基的存在，能参与一系列对空间构型起重要作用的氢键的形成，导致 RNA 具有既复杂多样又特定专一的空间构型，这是作为催化功能分子所必备的。

正如蛋白质酶的专一催化性能是由其特定的氨基酸序列及由此而决定的特定空间位置所决定的，不同 Ribozyme 也具有不同的碱基序列，因而也具有不同的，但是对每个 Ribozyme 来说是特定的三维空间构型。不同的空间构型决定了不同的磷原子与自由羟基之间空间位置的不同，从而导致了羟基对磷原子的不同的、但对每个 Ribozyme 来说却是特定专一的进攻，即在特定位置进行切割、剪接。亦即不同的 Ribozyme 具有不同的切割、剪接方式，而对每一个特定的 Ribozyme 却又是特定专一的，这就是 Ribozyme 的多样性和专一性。

然而，可以估计，Ribozyme 的催化多样性远不如蛋白质酶。这是因为蛋白质酶的组成远