细胞生物学08核糖体.ppt

第八章 核糖体,核糖体的类型与结构 蛋白质的合成与多聚核糖体,核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链 1953年Robinsin等用电镜观察植物细胞时发现了这种颗粒结构， 1955年Palade在动物细胞中也观察到类似的结构， 1958年Roberts建议把这种颗粒 结构命名为核糖核蛋白体， 简称核蛋白体或核糖体(ribosome),核糖体是一种颗粒状的结构，没有被膜包裹，直径25 nm - 表面：r蛋白，约占40% - 内部：rRNA，约占60% 分布：几乎存在于一切细胞内，仅发现在 哺乳动物成熟的红细胞等极个别高度分化 的细胞内没有核糖体，线粒体和叶绿体中 也含有核糖体核糖体是细胞最基本的不 可缺少的结构,核糖体的类型与结构,核糖体的基本类型与成分 核糖体的结构 核糖体蛋白质与rRNA的功能,核糖体的基本类型与成分,基本类型： - 附着核糖体，附着在内质网膜表面或原核细胞的质膜内侧 - 游离核糖体，分布在细胞质基质内 * 结构与化学组成完全相同，但合成的蛋白种类不同 - 70S核糖体，原核细胞，线粒体和叶绿体(近似70S) - 80S核糖体，真核细胞 * 均由大小不同的两个亚单位(subunit)构成,70S核糖体，相对分子质量2500×103，Mg2+浓度增加，形成100S的二聚体，反之，离解为50S与30S的大小亚单位 80S核糖体，相对分子质量4200×103，Mg2+浓度增加，形成120S的二聚体，反之，离解为60S与40S的大小亚单位 大、小亚单位只在合成蛋白质时才结合在一起——小亚单位与mRNA结合，再与大亚单位结合,核糖体的基本类型与成分,核糖体的结构——研究方法,核糖体的重组装 - 离子交换树脂可分离纯化各种r蛋白 - 纯化的r蛋白与纯化的rRNA进行重组装，显示其结构关系 双向电泳技术可显示出核糖体在装配各阶段中，与rRNA结合的蛋白质的类型 双功能的交联剂和双向电泳分离可用于研究r蛋白在结构上的相互关系 电镜负染色与免疫标记技术结合，研究r蛋白在核糖体的亚单位上的定位,核糖体的结构——核糖体蛋白质,细 菌 核 糖 体(70S)——大亚单位(50S)——31种蛋白质 ——小亚单位(30S)——21种蛋白质 哺乳动物核糖体(80S)——大亚单位(60S)——49种蛋白质 ——小亚单位(40S)——33种蛋白质,同一生物中不同种类的r蛋白的一级结构均不相同，在免疫学上几乎没有同源性(E. coli核糖体中，只有L7和L12具有相同的氨基酸序，区别在于L7的N端有一个酰基),不同生物同一种类r蛋白之间具有很高的同源性，并在进化上非常保守 - E. coli的r蛋白与其他原核生物有很高的同源性 - 不同真核生物的r蛋白之间存在很高的同源性 - E. coli与叶绿体中的r蛋白也有很高的同源性 - E. coli与大鼠的某些r蛋白之间也有很强的免疫交叉反应,核糖体的结构——核糖体RNA,对16S rRNA结构的研究已积累了丰富的资料 16S rRNA的一级结构是非常保守的，某些序列是完全一致的 16S rRNA的二级结构具有更高的保守性，尽管一级结构可能不同，但都折叠成相似的二级结构——约含40个臂环结构(stem-loop structure)，其 中46%的碱基 配对，双螺旋 区(臂)一般小 于8 bp。

推测 有4个结构域 rRNA臂环结构 的三级结构,核糖体的结构——蛋白质与RNA的组合,核糖体的重组装是自我装配过程，蛋白质结合到rRNA上具有先后层次性 E. coli核糖体小亚单位中rRNA与r蛋白的相互关系示意图，线条表示相互作用及作用力的强(粗线)与弱(细线),核糖体的结构——蛋白质与RNA的组合,E. coli核糖体小亚单位中的部分r 蛋白与rRNA 的结合位点,核糖体的结构 ——蛋白质与RNA的组合,E. coli核糖体小亚单位中的部分r蛋白在小亚单位上的部位,核糖体的结构——蛋白质与RNA的组合,蛋白质合成过程中很多重 要步骤与50S 核糖体大亚单位相关 最近人们成功地制备了L11-rRNA复合物的晶体，获得了其空间结构高分辨率的三维图象,核糖体蛋白质与rRNA的功能,核糖体上有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点 ①mRNA的结合位点 ②新掺入的氨酰-tRNA的结合位点——氨酰基位点(A位点) ③延伸中的肽酰-tRNA的结合位点——肽酰基位点(P位点) ④肽酰转移后即将释放的tRNA的结合位点 ——E位点(exit site),核糖体蛋白质与rRNA的功能,核糖体上有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点 ⑤肽酰tRNA从A位点转移到P位点相关转移酶(即延伸因子EF-G)的结合位点 ⑥肽酰转移酶的 催化位点 ⑦蛋白质合成 相关的其他 起始因子、 延伸因子 和终止因 子的结合 位点,核糖体蛋白质与rRNA的功能,关于核糖体蛋白质功能的疑问： ①很难确定哪一种蛋白具有催化功能，在E. coli中核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白质合成并没有表现出“全”或“无”的影响 ②多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株，并非由于r蛋白的基因突变而往往是 rRNA基因突变 ③在整个进化过程中rRNA的结构比核糖体蛋白的结构具有更高的保守性 越来越多的事实使人们推测，rRNA在蛋白质合成中可能具有重要作用，在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分,核糖体蛋白质与rRNA的功能,rRNA的主要功能： ①具有肽酰转移酶的活性 ②为tRNA提供结合位点(A位点、P位点和E位点) ③为多种蛋白质合成因子提供结合位点 ④在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合 ⑤核糖体大小亚单位的结合、校正阅读(proofreading)、无意义链或框架漂移的校正以及抗菌素的作用等都与rRNA有关 关于r蛋白功能有多种推测，主要有： ①对rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的 ②在蛋白质合成中某些r蛋白可能对核糖体的构象起“微调”作用 ③在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中, r蛋白与rRNA共同行使功能,蛋白质的合成多与聚核糖体,蛋白质的合成 多聚核糖体 RNA在生命起源中的地位,蛋白质的合成——起始,mRNA起始密码AUG上游的核糖体结合序列(6个碱基)与核糖体小亚单位中的16S rRNA的3‘端碱基配对，使mRNA与30S的核糖体小亚单位结合 接着甲酰甲硫氨酸tRNA的反密码子识别并与mRNA的AUG配对形成起始复合物 形成起始复合物还需要GTP和3种蛋白起始因子即IF1、IF2、IF3，IF3参与mRNA同30S小亚单位的结合并阻止50S大亚单位与30S小亚单位的结合， IF1和IF2促使tRNA结合到mRNA与30S小亚单位复合物上,蛋白质的合成——起始,IF3参与mRNA同30S小亚单位的结合并阻止50S大亚单位与30S小亚单位的结合， IF1和IF2促使tRNA结合到mRNA与30S小亚单位复合物上 50S大亚单位与起始复合物中的30S小亚单位结合，形成70S的完整的核糖体与mRNA的起始复合物 GTP水解，IF1、IF2、和IF3释放，甲酰甲硫氨酸分子占据核糖体的P位点(肽酰位)并通过其反密码子和mRNA上的起始密码配对，确定读码框架,蛋白质的合成——延伸,氨酰tRNA与延伸因子EF-Tu和GTP形成的复合物 相结合 延伸因子EF-Tu将氨酰tRNA安置到A位，由mRNA上密码子决定氨酰tRNA的种类 到位后，结合在EF-Tu上GTP水解，EF-Tu及GDP离开核糖体 EF-Tu不与甲酰甲硫氨酰tRNA反应，因而起始的tRNA不能送到A位；甲硫氨酰tRNA和其他的氨酰tRNA都可与EF-Tu结合，所以中间的AUG不能被起始的tRNA识读,蛋白质的合成——延伸,肽链生成：由肽酰转移酶(peptidyl transferase，一种rRNA)催化形成二肽酰tRNA 移位：结合在延伸因子EF-G(移位酶)上的GTP水解，肽酰tRNA从A位转移到P位，mRNA移动3个核苷酸的距离 原P位无 负载的 tRNA移 到E位后 脱落，A 位空出,蛋白质的合成——终止,核糖体沿着mRNA移动，如果进入A位的是终止密码子(UAA、UAG、UGA)，由于没有与之匹配的反密码子，终止合成 终止需要释放因子(release factor, RF)，与tRNA非常相似，能进入A位。

细菌有3种，RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA和UGA，RF3不能识别但能增强另两种的识别能力 终止密码子与释放因子结合，活化肽链转移酶，水解P位的多肽与tRNA之间的连键，多肽脱离核糖体，核糖体随即离解成30S和50S亚单位 真核细胞中，核糖体小亚单位与mRNA 5’端的cap识别并结合在一起，然后沿mRNA移动，直到遇到起始密码AUG，其蛋白质合成与原核细胞的基本相同,多聚核糖体,核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽链的合成，这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体 (polyribosome, polysome) 多聚核糖体所 包含的核糖体 数量又mRNA 的长度来决定， 相邻的核糖体 间约80个核苷 酸的距离,多聚核糖体,多聚核糖体的生物学意义 - 细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的 大小或是mRNA的长短如何，单位时间内 所合成的多肽分子数目都大体相等 - 以多聚 核糖体 的形式 进行多 肽合成， 对mRNA 的利用 及对其 浓度的 调控更 为经济 和有效,RNA在生命起源中的地位,核酶(ribozyme)，用于描述具有催化活性的RNA，即化学本质是核糖核酸(RNA)，却具有酶的催化功能 核酶不仅可催化RNA和DNA水解、连接、mRNA的剪接(splicing)，在提外已证明还可催化RNA聚合反应以及RNA的磷酸化、氨酰基化和烷基化等多种反应 核糖体RNA中具有肽酰转移酶的活性，在蛋白质合成中起着关键作用,RNA在生命起源中的地位,生命是自我复制的体系，最早的简单生命体中的生物大分子，推测应该既是遗传信息载体又具酶的催化功能 三种生物大分子，只有RNA既具有信息载体功能又具有酶的催化功能。

因此推测RNA可能是生命起源中最早的生物大分子 DNA代替了RNA的遗传信息功能：DNA双链比RNA单链稳定，DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧啶，易于修复 由RNA催化产生了蛋白质，蛋白质能更为有效地催化多种生化反应，并提供更为复杂的细胞结构成分,。