第十一章核糖体.ppt

第十一章第十一章 核糖体核糖体 核核糖糖体体(ribosome)是是合合成成蛋蛋白白质质的的细细胞胞器器，，其其唯唯一一的的功功能能是是按按照照mRNA的的指指令令由由氨基酸高效且精确地合成多肽链氨基酸高效且精确地合成多肽链 •背景：背景：• 1953年，年，Robinsin 和和Brown 在植物在植物细胞中发现了核糖体颗粒；细胞中发现了核糖体颗粒；• 1955年，年，Palade在动物细胞中发现在动物细胞中发现了核糖体颗粒了核糖体颗粒• 研究发现核糖体中富含核苷酸，研究发现核糖体中富含核苷酸，1958年年Roberts建议将核糖体颗命名为核糖建议将核糖体颗命名为核糖核蛋白体，简称核蛋白体，简称核糖体核糖体（（Ribosome））.•分布：分布：• 几乎存在于一切细胞中，包括最小几乎存在于一切细胞中，包括最小最的最细胞最的最细胞——支原体；支原体；• 自主性细胞器（如线粒体和叶绿体）自主性细胞器（如线粒体和叶绿体）中也存在其自身的核糖体。

中也存在其自身的核糖体• 但成熟的哺乳动物但成熟的哺乳动物RBC中却不存在中却不存在核糖体第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分1、基本类型、基本类型 存在方式：存在方式：附着核糖体附着核糖体 游离核糖体游离核糖体 沉降系数：沉降系数：70S的核糖体的核糖体 80S的核糖体的核糖体•根据核糖体存在的方式不同根据核糖体存在的方式不同任何核糖体都是由大小两个亚基组成任何核糖体都是由大小两个亚基组成30S/40S50S/60S70S/80S核糖体大小亚基的结合核糖体大小亚基的结合核糖体的存在与核糖体的存在与Mg2+有关有关• [Mg2+]<1mM• 70S 50S+30S 二聚化 [Mg2+] ≥ 1mM• 100S• [Mg2+]<1mM• 80S 60S+40S 二聚化 [Mg2+] ≥ 1mM• 120S•细胞质中的核糖体常以游细胞质中的核糖体常以游离的亚基形式存在。

离的亚基形式存在第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分2、主要成分、主要成分r蛋白质：占蛋白质：占1/3，核糖体表面，核糖体表面 rRNA: 占占2/3，核糖体内部，核糖体内部原核生物与真核生物核糖体成分的比较原核生物与真核生物核糖体成分的比较•成分特点：成分特点：ｒ蛋白多为单拷贝；ｒ蛋白多为单拷贝； 如：细菌（如：细菌（E.coli.）ｒ蛋白中）ｒ蛋白中L4/L12有有4拷贝、拷贝、S6有有 2拷贝，其余的ｒ蛋白均为拷贝，其余的ｒ蛋白均为单拷贝ｒｒRNA中的一些核苷酸残基常被甲基化，其中的一些核苷酸残基常被甲基化，其多发生于保守序列区域多发生于保守序列区域 如：如：16SｒｒRNA的的3’末端末端第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分3、核糖体成分的分析方法、核糖体成分的分析方法离子交换树脂可分离纯化各种离子交换树脂可分离纯化各种r蛋白；蛋白； 用用EDTA、尿素等可去掉核糖体上的、尿素等可去掉核糖体上的r蛋蛋白，收集白，收集r蛋白混合液过离子交换树脂。

蛋白混合液过离子交换树脂第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分3、核糖体成分的分析方法、核糖体成分的分析方法纯化的纯化的r蛋白与纯化的蛋白与纯化的rRNA进行核糖体重组进行核糖体重组装，显示核糖体中装，显示核糖体中r蛋白与蛋白与rRNA的结构关系的结构关系 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分3、核糖体成分的分析方法、核糖体成分的分析方法双向电泳分离可研究双向电泳分离可研究r蛋白在结构上的相互蛋白在结构上的相互关系 蛋白质结合到蛋白质结合到rRNA上具有先后层次性上具有先后层次性 核糖体的重组装是自我装配过程核糖体的重组装是自我装配过程 E.coli核糖体小亚单位中核糖体小亚单位中rRNA与与r蛋白的相互关系示意图蛋白的相互关系示意图条表示相互作用及作用力的强（粗线）与弱（细线）（引自Alberts et al，1989）二、核糖体的结构二、核糖体的结构核糖体核糖体X衍射图谱衍射图谱:50S2rRNAL1L5CP第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体的结构二、核糖体的结构1、核糖体蛋白结构、核糖体蛋白结构 常定位于核糖体表面或常定位于核糖体表面或rRNArRNA间隙，间隙，包含一个球形结构域和一个伸展的尾部包含一个球形结构域和一个伸展的尾部（富含（富含ArgArg、、LysLys、、GlyGly、、ProPro）。

球形结构域位于核糖体表面，尾部的多球形结构域位于核糖体表面，尾部的多肽链伸入到核糖体内折叠的肽链伸入到核糖体内折叠的rRNArRNA分子之间分子之间第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构一、核糖体的结构一、核糖体的结构2、核糖体、核糖体RNA结构结构 以以70S核糖体核糖体为例为例16SrRNA的一级结构是非常保守的；的一级结构是非常保守的；16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：的二级结构具有更高的保守性： 臂环结构臂环结构(stem-loop structure) rRNA臂环结构的三级结构模型臂环结构的三级结构模型  核糖体小亚单位核糖体小亚单位rRNA的二级结构：的二级结构：4个结构域个结构域(a) E.coli 16S rRNA；（；（红色为高度保守区红色为高度保守区））(b) 酵母菌酵母菌18S rRNA，它们都具有类似的，它们都具有类似的40个臂环结构个臂环结构(图图中中1～～40)，其长度和位置往往非常保守；，其长度和位置往往非常保守；中心结构域中心结构域3’主结构域主结构域3’次结构域次结构域5’结构域结构域23SrRNA二级结构：二级结构：6个结构域个结构域第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体的结构二、核糖体的结构2、核糖体、核糖体RNA结构结构rRNA的三级结构模型的三级结构模型 16SrRNA臂环结构臂环结构各结构域对应三级结构各结构域对应三级结构的形态部位：的形态部位：5’结构域结构域——小亚基主体、中小亚基主体、中心结构域心结构域——平台、平台、3’主结构域主结构域——头部、头部、 3’次结构域横跨界面次结构域横跨界面 70S核糖体的小亚单位中核糖体的小亚单位中rRNA与全部的与全部的r蛋白关系的空间模型蛋白关系的空间模型•E.coli （（a）核糖体小亚单位中的部分）核糖体小亚单位中的部分r蛋白与蛋白与rRNA的结合的结合位点）；（位点）；（b）及其在小亚单位上的部位）及其在小亚单位上的部位第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与rRNArRNA功能功能1 1、与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点、与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点 核糖体上的结合位点与催化位点核糖体上的结合位点与催化位点与与mRNA的结合位点：小亚基的结合位点：小亚基rRNA 3’末端；末端；与与新新掺掺入入的的氨氨酰酰-tRNA的的结结合合位位点点——氨氨酰酰基基位位点点，，又称又称A位点位点；；与与延延伸伸中中的的肽肽酰酰-tRNA的的结结合合位位点点——肽肽酰酰基基位位点点，，又称又称P位点位点；；肽肽酰酰转转移移后后与与即即将将释释放放的的tRNA的的结结合合位位点点——E位点位点；； 核糖体上的结合位点与催化位点核糖体上的结合位点与催化位点与与肽肽酰酰tRNA从从A位位点点转转移移到到P位位点点有有关关的的转转移移酶酶(即即延伸因子延伸因子EF-G)的结合位点的结合位点肽酰转移酶的催化位点肽酰转移酶的催化位点与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点和终止因子的结合位点 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与rRNArRNA功能功能2 2、、蛋白质合成中蛋白质合成中r r蛋白蛋白和和rRNArRNA的活性研究的活性研究 r蛋白蛋白的活性的活性 很很难难确确定定哪哪一一种种蛋蛋白白具具有有催催化化功功能能：：在在E.coli中中核核糖糖体体蛋蛋白白突突变变甚甚至至缺缺失失对对蛋蛋白白质质合合成成并并没没有有表表现现出出“全全”或或“无无”的的影影响。

响第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构 rRNA的活性的活性 多多数数抗抗蛋蛋白白质质合合成成抑抑制制剂剂的的突突变变株株，，并并非非由由于于r蛋蛋白白的的基基因因突突变变而而往往往往是是 rRNA基因突变基因突变 在整个进化过程中在整个进化过程中rRNA的结构的结构比核糖体蛋白的结构具有更高的保守性比核糖体蛋白的结构具有更高的保守性由此推断：由此推断： rRNA在蛋白质合成中可能具有重在蛋白质合成中可能具有重要作用第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与rRNArRNA功能功能3 3、、rRNA是蛋白质合成中的主要作用成分是蛋白质合成中的主要作用成分 具有肽酰转移酶的活性；具有肽酰转移酶的活性； 为为tRNA提提供供结结合合位位点点(A位位点点、、P位位点点和和E位点位点)；； 为多种蛋白质合成因子提供结合位点；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与rRNArRNA功能功能 在蛋白质合成起始时参与同在蛋白质合成起始时参与同mRNA选选择性地结合以及在肽链的延伸中与择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结结合；合； 核核糖糖体体大大小小亚亚单单位位的的结结合合、、校校正正阅阅读读(proofreading)、、无无意意义义链链或或框框架架漂漂移移的的校校正、以及抗菌素的作用等都与正、以及抗菌素的作用等都与rRNA有关。

有关 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与rRNArRNA功能功能4 4、、r r蛋白的主要功能蛋白的主要功能 对对rRNA折折叠叠成成有有功功能能的的三三维维结结构构是是十十分重要的；分重要的； 在在蛋蛋白白质质合合成成中中, 某某些些r蛋蛋白白可可能能对对核核糖体的构象起糖体的构象起“微调微调”作用；作用； 在核糖体的结合位点上甚至可能在催在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中化作用中, 核糖体蛋白与核糖体蛋白与rRNA共同行使功能共同行使功能 第二节第二节 多聚核糖体与蛋白质合成多聚核糖体与蛋白质合成•一、多聚核糖体一、多聚核糖体 核核糖糖体体在在细细胞胞内内并并不不是是单单个个独独立立地地执执行行功功能能，，而而是是由由多多个个甚甚至至几几十十个个核核糖糖体体串串连连在在一一条条mRNA分分子子上上高高效效地地进进行行肽肽链链的的合合成成，，这这种种具具有有特特殊殊功功能能与与形形态态结结构构的的核糖体与核糖体与mRNA的聚合体称为的聚合体称为多聚核糖体多聚核糖体多聚核糖体多聚核糖体多聚核糖体的生物学意义：多聚核糖体的生物学意义：细细胞胞内内各各种种多多肽肽的的合合成成，，不不论论其其分分子子量量的的大大小小或或是是mRNA的的长长短短如如何何，，单单位位时时间间内所合成的多肽分子数目都大体相等。

内所合成的多肽分子数目都大体相等以以多多聚聚核核糖糖体体的的形形式式进进行行多多肽肽合合成成，，对对mRNA的的利利用用及及对对其其浓浓度度的的调调控控更更为为经经济济和有效第二节第二节 多聚核糖体与蛋白质合成多聚核糖体与蛋白质合成•二、蛋白质的合成二、蛋白质的合成•1、肽链的起始、肽链的起始•2、肽链的延伸、肽链的延伸•3、肽链的终止、肽链的终止首先起始因子首先起始因子IF3、、IF1帮助帮助30S小亚基与小亚基与mRNA结合结合，，IF2和和GTP帮助甲帮助甲酰甲硫氨酸酰甲硫氨酸-tRNA与与AUG配对，接着配对，接着IF3脱离，形脱离，形成成30S起始复合物起始复合物50S大亚基进入，大亚基进入，IF1和和IF2脱离，形成脱离，形成70S起始复合起始复合物，需要物，需要GTP甲酰甲硫氨酸硫氨酸-tRNA处于处于P位•1、肽链的起始、肽链的起始•二、蛋白质的合成二、蛋白质的合成•1、、肽链的起始肽链的起始 30S小亚基与小亚基与mRNAmRNA的结合；的结合；第一个氨酰第一个氨酰-tRNA-tRNA（（tRNAitRNAiMetMet）进入核糖体；）进入核糖体；完整起始复合物的组装。

完整起始复合物的组装 2、、 肽键的形成和延伸肽键的形成和延伸（注意新的（注意新的AA-tRNA如何定位，第一个肽键如何形成，核糖体如何移动如何定位，第一个肽键如何形成，核糖体如何移动…）） 氨酰基氨酰基tRNA进入进入A位位 新的氨基酸新的氨基酸-tRNA的进位依赖延伸因子的进位依赖延伸因子Tu-Ts和和GTP的的协助协助  肽键的形成肽键的形成 肽键的形成由肽键的形成由肽酰基转移酶肽酰基转移酶催化（此酶具有核酶的活性）催化（此酶具有核酶的活性） 原核生物肽链的延长原核生物肽链的延长 延伸因子延伸因子EF-G+GTP复合物促进核糖体沿着复合物促进核糖体沿着mRNA 5’——3’方向方向移位，多肽链沿着移位，多肽链沿着N端向着端向着C端延伸，空载的端延伸，空载的tRNA从从E位点离开位点离开•二、蛋白质的合成二、蛋白质的合成•2、肽链的延伸、肽链的延伸  tRNAitRNAiMetMet进入进入P P点后，点后，tRNAtRNA携带下一携带下一AAAA进入进入A A位点；位点； 肽键的形成：肽键的形成：A A位点上位点上AAAA的氨基与的氨基与P P位点上位点上AAAA的的羧基在羧基在肽酰转移酶肽酰转移酶的催化下缩合成肽键。

的催化下缩合成肽键 转位：转位：P P点空闲，核糖体沿点空闲，核糖体沿mRNAmRNA从从5 5’到到3 3’移动移动三个核苷酸，携带二肽的三个核苷酸，携带二肽的tRNAtRNA从从A A点转到点转到P P点、点、P P点点转到转到E E点 脱氨酰脱氨酰- - tRNAtRNA的释放：的释放：原带有原带有UACUAC的的tRNAtRNA从从P P转转到到E E点后被释放点后被释放3、肽链的终止、肽链的终止 新合成的肽链由新合成的肽链由N端向着端向着C端不断延长，核糖体沿着端不断延长，核糖体沿着mRNA的的5’ 3’ 方移位，直方移位，直至至RNA上出现终止密码，相上出现终止密码，相应的应的肽链释放因子肽链释放因子RF1（（对对应应UAA、、UAG），），RF2（（对对应应UAA、、UGA）占据）占据A位肽链的合成终止，并从核糖肽链的合成终止，并从核糖体上释放体上释放 核糖体大、小亚核糖体大、小亚基解聚，并进入下一轮合成基解聚，并进入下一轮合成三、三、RNA在生命起源中的地位及其演化在生命起源中的地位及其演化 1、生命是自我复制的体系、生命是自我复制的体系三三种种生生物物大大分分子子，，只只有有RNA既既具具有有信信息息载载体体功功能能又又具具有有酶酶的的催催化化功功能能。

因因此此，，推推测测RNA可可能能是是生生命命起起源源中中最最早早的的生生物物大分子核酶核酶(ribosome)：具有催化作用的：具有催化作用的RNA由由RNA催化产生了蛋白质催化产生了蛋白质三、三、RNA在生命起源中的地位及其演化在生命起源中的地位及其演化 2、 DNA代替了代替了RNA的遗传信息功能的遗传信息功能DNA双链比RNA单链稳定；DNA链中胸腺嘧啶T代替了RNA链中的尿嘧啶U，使之易于修复三、三、RNA在生命起源中的地位及其演化在生命起源中的地位及其演化 3、蛋白质取代了绝大部分、蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能酶的功能蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；与RNA相比，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，逐渐演化成今天的细胞。