细胞生物学第11章

第十一章 核糖体核糖体是细胞最基本的不可缺少的结构 其唯一功能是按照 mRNA的指令由氨基酸合成多肽链 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构附着核糖体附着核糖体 /游离核糖体游离核糖体70S核糖体核糖体 /80S核糖体核糖体大亚基大亚基 /小亚基小亚基1.1 核糖体的基本类型与成分核糖体的基本类型与成分v 基本成分基本成分 r蛋白质蛋白质 ： 40%，核糖体表面，核糖体表面 rRNA： 60%，核糖体内部，核糖体内部v 核糖体大小亚单位在细胞内常常游离于细胞质基核糖体大小亚单位在细胞内常常游离于细胞质基质中，只有当质中，只有当 小亚单位与小亚单位与 mRNA结合结合 后，大小亚后，大小亚单位才与小亚单位结合形成完整的核糖体。由大单位才与小亚单位结合形成完整的核糖体。由大亚基和小亚基按照亚基和小亚基按照 1： 1比例比例 结合而成。结合而成。1.1.1 70S核糖体核糖体v 分布分布 原核细胞的核糖体为原核细胞的核糖体为 70S核糖体核糖体 线粒体和叶绿体中的核糖体也近似于线粒体和叶绿体中的核糖体也近似于 70S。v 50S大亚基大亚基 23SrRNA、 5SrRNA 31种蛋白质；种蛋白质；v 30S小亚基小亚基 16 SrRNA 21种蛋白质；种蛋白质； 1.1.2 80S核糖体核糖体v 分布：真核细胞的核糖体为分布：真核细胞的核糖体为 80S核糖体。核糖体。v 60S大亚基大亚基 28SrRNA、 5SrRNA、 5.8SrRNA 49种蛋白质；种蛋白质；v 40S小亚基小亚基 18 SrRNA 33种蛋白质；种蛋白质；v 体外实验体外实验 当当 Mg2浓度降低时，浓度降低时， 80S核糖体解离为大、小亚基；核糖体解离为大、小亚基； 当当 Mg2浓度增高时，则常常形成浓度增高时，则常常形成 120S的二聚体。的二聚体。 原核生物与真核生物核糖体成分的比较 1.1.3 游离核糖体和附着核糖体游离核糖体和附着核糖体v 在真核细胞中很多核糖体附着在内质网的膜表面在真核细胞中很多核糖体附着在内质网的膜表面，称为，称为 附着核糖体附着核糖体 糙面内质网；糙面内质网； 核外膜表面；核外膜表面； 原核细胞的质膜内侧。原核细胞的质膜内侧。v 一些核糖体不附着在膜上，呈游离状态，分布在一些核糖体不附着在膜上，呈游离状态，分布在细胞质基质内，称细胞质基质内，称 游离核糖体游离核糖体 。v 附着核糖体与游离核糖体所合成的蛋白质种类不附着核糖体与游离核糖体所合成的蛋白质种类不同，但核糖体的结构与化学组成是完全相同的。同，但核糖体的结构与化学组成是完全相同的。 1.2 核糖体的结构核糖体的结构 v 是是 同一生物中不同种类的同一生物中不同种类的 r蛋白的一级结构均不蛋白的一级结构均不相同，在免疫学上几乎没有同源性。相同，在免疫学上几乎没有同源性。v 不同生物同一种类不同生物同一种类 r蛋白之间具有很高的同源性蛋白之间具有很高的同源性， 并在进化上非常保守。并在进化上非常保守。v 核糖体的重装配不需要其它大分子的参与，是核糖体的重装配不需要其它大分子的参与，是一个一个 自我装配自我装配 的过程。的过程。v 装配过程表现出装配过程表现出 先后次序性先后次序性 。1.2.1 核糖体结构与功能的分核糖体结构与功能的分析析离子交换树脂离子交换树脂 可分离纯化各种可分离纯化各种 r蛋白；蛋白；纯化的纯化的 r蛋白与纯化的蛋白与纯化的 rRNA进行核糖体的进行核糖体的 重组装重组装 ，显示核糖体中显示核糖体中 r蛋白与蛋白与 rRNA的结构关系的结构关系双向电泳技术双向电泳技术 可显示出可显示出 E.coli核糖体在装配各阶段中，核糖体在装配各阶段中，与与 rRNA结合的蛋白质的类型结合的蛋白质的类型双功能的交联剂和双向电泳分离双功能的交联剂和双向电泳分离 可用于研究可用于研究 r蛋白在蛋白在结构上的相互关系结构上的相互关系 电镜负染色与免疫标记技术电镜负染色与免疫标记技术 结合，研究结合，研究 r蛋白在核糖蛋白在核糖体的亚单位上的定位。体的亚单位上的定位。v 对对 rRNA，特别是对，特别是对 16S rRNA结构的研究结构的研究 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： 臂环臂环结构结构 (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 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蛋白蛋白关系的关系的 空间模型空间模型 16SrRNA的一级结构是非常的一级结构是非常保守的保守的1.2.2 蛋白质合成过程中很多重蛋白质合成过程中很多重要步骤与要步骤与 50S核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关v 依赖延伸因子依赖延伸因子 Tu（ EF Tu）的氨酰）的氨酰 tRNA的结合；的结合；v 延伸因子延伸因子 G（ EF G）介导的转位作用；）介导的转位作用；v 依赖于起始因子依赖于起始因子 2的的 fMet tRNA的结合；的结合；v 依赖于释放因子的蛋白合成终止作用；依赖于释放因子的蛋白合成终止作用；v 应急因子与核糖体结合产生应急因子与核糖体结合产生 ppGpp（ p）阻断蛋白合）阻断蛋白合成等。成等。上述过程中的多数因子为上述过程中的多数因子为 G蛋白，具有蛋白，具有 GTPase活性，活性，故将核糖体上与之相关位点称为故将核糖体上与之相关位点称为 GTPase相关位点相关位点。 1.3 核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与 rRNA的的功能功能v 核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点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与催化位点 与与 mRNA的结合位点；的结合位点； 氨酰基位点（氨酰基位点（ A位位 ） 与新掺入氨酰与新掺入氨酰 tRNA的结合位点的结合位点 肽酰基位点（肽酰基位点（ P位位 ） 与延伸中的肽酰与延伸中的肽酰 tRNA的结合位的结合位点点 E位点位点 肽酰转移后与即将释放的肽酰转移后与即将释放的 tRNA的结合位点的结合位点 与肽酰与肽酰 tRNA从从 A位点转移到位点转移到 P位点有关的位点有关的 转移酶转移酶 （即延伸（即延伸因子因子 EF G）的结合位点；）的结合位点； 肽酰转移酶肽酰转移酶 的催化位点。的催化位点。v 与与 tRNA结合的结合的 P位点、位点、 A位点或位点或 E位点各自都涉及一位点各自都涉及一套套 rRNA上不同的区域。上不同的区域。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） v 在核糖体中在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分是起主要作用的结构成分 具有肽酰转移酶的活性；具有肽酰转移酶的活性； 为为 tRNA提供结合位点（提供结合位点（ A位点、位点、 P位点、位点、 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； 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选择性地结选择性地结合以及在肽链的延伸中与合以及在肽链的延伸中与 mRNA结合。结合。 核糖体大小亚单位的结合、校正阅读、无意义核糖体大小亚单位的结合、校正阅读、无意义链或框架漂移的校正、以及抗生素的作用等。链或框架漂移的校正、以及抗生素的作用等。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的结合位点的结合位点（ b） 核糖体小亚单位中的部分核糖体小亚单位中的部分 r蛋白蛋白 在小亚单位上的部位在小亚单位上的部位 （引自（引自 Albert et al.， 1989，图，图 a; Lewin,1997,图图 b） 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。 (Darnell et al.， 1990)L11-rRNA复合物的三维结构(引自 Porse et.al.,1999)v r蛋白在翻译过程中也起着重要的作用；蛋白在翻译过程中也起着重要的作用； 对对 rRNA折叠成有功能的三维结构是十分重折叠成有功能的三维结构是十分重要的；要的； 在蛋白质合成中，核糖体的空间构象发生一在蛋白质合成中，核糖体的空间构象发生一系列的变化，某些系列的变化，某些 r蛋白可能对核糖体的构蛋白可能对核糖体的构象起象起 “微调微调 ”作用；作用； 在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中，中， r蛋白与蛋白与 rRNA共同行使功能。共同行使功能。 第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成2.1 多聚核糖体多聚核糖体v 由由 mRNA分子将许多核糖分子将许多核糖体串联而成的结构体串联而成的结构v 每种多聚核糖体的数目取每种多聚核糖体的数目取决于决于 mRNA的长度的长度v 无论是附着核糖体还无论是附着核糖体还是游离核糖体，都常是游离核糖体，都常常以多聚核糖体形式常以多聚核糖体形式存在存在v 多聚核糖体的意义多聚核糖体的意义 大大提高多肽合成速度，特别是对于相对分子大大提高多肽合成速度，特别是对于相对分子质量较大的多肽。质量较大的多肽。 以多聚核糖体的形式进行多肽的合成，对以多聚核糖体的形式进行多肽的合成，对mRNA的利用及对其数量的调控更为经济和有的利用及对其数量的调控更为经济和有效。效。2.2 蛋白质的合成蛋白质的合成 v 起始阶段v 延伸阶段v 释放阶段2.2.1 起始阶段起始阶段70S起始复合物起始复合物v 小亚基对小亚基对 mRNA的识别的识别 16SrRNA与与 mRNA上起始密码上起始密码AUG上游上游 6个核苷酸结合序列个核苷酸结合序列配对并结合；配对并结合；v 30S起始复合物起始复合物 甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸 tRNA的反密码子的反密码子识别识别 mRNA上的上的 AUG并配对结并配对结合；合；v 70S起始复合物起始复合物 50S大亚单位与大亚单位与 30S起始复合物起始复合物中小亚单位结合，中小亚单位结合， GTP水解、水解、IF1、 IF2、 IF3释放，甲酰甲硫释放，甲酰甲硫氨酸氨酸 tRNA占据占据 P位，确定阅读位，确定阅读框架。框架。 v 进位 ：氨酰 tRNA与延伸因子 EFTu和 GTP形成复合物；氨酰 tRNA进入 A位点；v 肽键生成 ：肽酰转移酶催化；v 移位 ：延伸因子 EF G（移位酶），结合在 EF G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位点无负载的 tRNA移到 E位点后脱落， A位点空出。 2.2.2 延伸阶延伸阶段段2.2.3 蛋白质合成的终止蛋白质合成的终止v 释放释放v 如如 A位是位是 UAA、 UAG、 UGA，氨基酰，氨基酰 tRNA通常不通常不能结合到核糖体上能结合到核糖体上v A位点的终止密码与位点的终止密码与 释放因子释放因子 结合结合 释放因子释放因子 RF 1可识别可识别 UAA或或 UAG 释放因子释放因子 RF 2可识别可识别 UAA或或 UGAv 释放因子活化肽链转移酶，水解释放因子活化肽链转移酶，水解 P位点的多肽与位点的多肽与tRNA之间的连键，多肽脱离核糖体之间的连键，多肽脱离核糖体v 核糖体随即解离为大小亚单位。核糖体随即解离为大小亚单位。 2.3 RNA在生命起源中的地在生命起源中的地位位v 在蛋白质的合成过程中，在蛋白质的合成过程中， rRNA