第11章核糖体

第十一章第十一章 核糖体核糖体 (ribosome) 核糖体的类型与结构多聚核糖体与蛋白质的合成 核糖体是 细胞内一种核糖核蛋白 颗 粒 ,是细 胞内合成蛋白 质 的 细 胞器。 美国科学家文卡特拉曼美国科学家文卡特拉曼 拉马克里希南、托马斯拉马克里希南、托马斯 施泰茨和施泰茨和以色列科学家阿达以色列科学家阿达 约纳特因对约纳特因对 “核糖体的结构和功能核糖体的结构和功能 ”研研究的贡献而获得究的贡献而获得 2009年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构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。 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的功能分析 一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分核糖核蛋白体 ,简称核糖体 (ribosome) 基本 类型附着核糖体游离核糖体70S的 核糖体80S的 核糖体主要 成分r蛋白质： 30% ，核糖体表面rRNA:70% ，核糖体内部l 由大小两个亚基构成，只在以 mRNA为模板合成蛋白质时才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚单位又解离。Mg2+ 浓浓 度度 对对 大小大小 亚亚 基的聚基的聚合和解离的影响合和解离的影响 : 70S核糖体在 Mg2+的 浓 度小于 1mm/L的溶液中易解离 ; 当 Mg2+ 浓 度大于 10mm/L, 两个核糖体通常形成 100S的二聚体。 二、核糖体的结构二、核糖体的结构结构与功能的分析方法 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 双向电泳技术 可显示出 E.coli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。对 rRNA，特别是对 16S rRNA结构的研究 70S核糖体的小亚单位中 rRNA与全部的 r蛋白关系的 空间模型 1.结构与功能的分析方法离子交换树脂 可分离纯化各种 r蛋白；纯化的 r蛋白与纯化的 rRNA进行核糖体的重组装， 显示核糖体中r蛋白与 rRNA的结构关系E.coli核糖体 16S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）（引自 Alberts et al， 1989） E.coli （ a）核糖体小亚单位中的部分 r蛋白与 rRNA的结合位点）（ b）及其在小亚单位上的部位核糖体小亚单位 rRNA的二级结构 (a) E.coli 16S rRNA；（红色为高度保守区）(b) 酵母菌 18S rRNA，它们都具有类似的 40个臂环结构 (图中 1 40)，其长度和位置往往非常保守； P、 E分别代表仅在原核或真核细胞中存在的 rRNA的二级结构。2.核糖体蛋白的结构特点核糖体蛋白通常定位在核糖体表面，或填充于 rRNA之间的缝隙。核糖体蛋白大多有一个球形结构域和伸展的尾部。球形结构域分布于表面，尾部伸展于 rRNA分子中。蛋白质结合到 rRNA上具有先后 层次性 。 核糖体在组 装 过 程中 ,某些蛋白 质 必 须 首先 结 合到 rRNA上 ,其他蛋白才能 组 装上去即表 现 出先后 层 次。核糖体蛋白本身不参与将遗传信息变成蛋白质的反应。3.核糖体核糖体 rRNA的结构特点的结构特点16SrRNA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：多个茎 环所组成的结构 (stem-loop structure) rRNA三级结构的稳定涉及多种作用力。L11-rRNA复合物的三维结构三、核糖体蛋白质与三、核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析的功能分析核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点 在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究 1.核糖体上具有一系列与蛋白质核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的合成有关的 结合位点与催化位点结合位点与催化位点与 mRNA的结合位点： 16S rRNA的 3端。与新掺入的氨酰 -tRNA的结合位点 氨酰基位点，又称 A位点与延伸中的肽酰 -tRNA的结合位点 肽酰基位点，又称 P位点肽酰转移后与即将释放的 tRNA的结合位点 E位点 (exit site)与肽酰 tRNA从 A位点转移到 P位点有关的转移酶(即延伸因子 EF-G)的结合位点肽酰转移酶的催化位点：最主要的活性部位。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 对蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究对蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究核糖体蛋白 在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分r蛋白质的主要功能 核糖体蛋白核糖体蛋白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。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。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。23SrRNA具有肽酰转移酶的活性2.核糖体中核糖体中 rRNA的主要作用的主要作用具有肽酰转移酶的活性；为 tRNA提供结合位点 (A位点、 P位点和 E位点 )； 为多种蛋白质合成因子提供结合位点； 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；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。 在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分3.r蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能对 rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；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；在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中 , 核糖体蛋白与 rRNA共同行使功能。 第二节第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体 (polyribosome或 polysome) 蛋白质的合成 RNA在生命起源中的 地位及其演化过程 一、多聚核糖体一、多聚核糖体概念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 。多聚核糖体的生物学意义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。 二、二、 蛋白质的合成蛋白质的合成 l （一）肽链的起始l 1. 30S小亚基与 mRNA的结合l 30S小亚基与 mRNA的起始密码子 AUG结合。l AUG上游 5-10bp处有 SD序列，能与 16S rRNA 3端碱基序列互补结合。l 有起始因子 IF的帮助。l 2. 第一个氨酰 -tRNA进入核糖体l 甲酰甲硫氨酸的 tRNA与 AUG识别，进入核糖体。l 3.完成起始复合物的组装l （二）肽链的延伸l 1.氨酰 -