细胞生物学核糖体的结构及功能

第十一章 核糖体一、核糖体的结构及功能核糖体是体积较小的无膜包围的细胞器，在光镜下看不到。1958 年才把这种含有大量 RNA 的能合成蛋白质的关键装置定名为核糖核蛋白体 ribosome，简称为核糖体。(一)核糖体的一般性质1、存在与分布核糖体存在一切生物的细胞中，包括真核细胞和原核细胞。这是有别于其它细胞器的特点。在真核细胞中，有些核糖体是游离分布在细胞质基质中，也有许多是附着在 rER 膜及核膜外表。此外，还有核糖体是分布在线粒体和叶绿体的基质中。在原核细胞内，大量核糖体游离在细胞质中，也有的附着在质膜内侧面。细菌的核糖体占总重量的 2530%。2、形态和大小一般直径为 2530nm，由大、小两亚单位构成，通常是以大亚单位附在内质网膜或核膜外表。当进行蛋白质合成时，小亚单位先接触 mRNA 才与大亚单位结合，而合成完毕后又自行解离分开。另外，多个核糖体还可由 mRNA 串联成多聚核糖体 polyribosome(=polysome)，每个多聚核糖体往往由 5-6 个核糖体串成，但也有多至 50 个以上的(例如肌细胞中合成肌球蛋白的多聚核糖体是由 6080 个串联而成)。3.数量和分类细胞中的核糖体数量多少不一。一般来说，增殖速度快的细胞中偏多，分泌蛋白质的分泌细胞中也较多。例如分泌胆汁的肝细胞中为 6106个，大肠杆菌中为 150015000 个。在不同类型生物细胞之中，核糖体大小及组分都有一定差异。一般可分为两大类：80 S 型和 70S 型。大亚单位 60S 真核生物核糖体 80S 小亚单位 40S 大亚单位 50S 原核生物核糖体 70S 小亚单位 30S （“ S”是沉降系数的衡量单位。大、小亚单位组成核糖体，并非由其两者的 S 值直接相加，这是因为 S 值变化其实是与颗粒的体积及形状相关的。 ）叶绿体中的核糖体与原核生物的相似，而线粒体中的核糖体则较小且多变，例如哺乳动物的线粒体核糖体是 55S，但一般仍将它们都划分到原核生物的 70S 型。(二)核糖体的化学组成主要组分是 r 蛋白和 rRNA，极少或无脂类。70 S 型核糖体之中，r 蛋白: rRNA 约 1 : 2 ； 而在 80S 型核糖体之中，r 蛋白: rRNA 约 1 : 1 。1.rRNA 类型 rRNA 可占细胞中 RNA 总量的 80%以上rRNA r 蛋白数量 核糖体来源核糖体大亚单位小亚单位 大亚单位 小亚单位大亚单位小亚单位真核细胞原核细胞 线粒体80S70S55S60S50S35S40S30S25S28S+5S+5.8S23S+5S21S+5S18S16S12S4931-3321-70S 和 80S 型核糖体都含有 5S rRNA，其结构大小十分接近，都由 120 或 121 个核苷酸组成。这表明古核生物、原核生物和真核生物在进化上的亲缘关系，它是残存在生物体内的“分子化石” 。80S 型核糖体还含有真核生物特有的 5.8S rRNA，它是以氢键与 28S rRNA 相结合，并也可解离。2.核糖体蛋白质类型真核细胞核糖体大亚单位有 49 种(L1 L49)的 r 蛋白，小亚单位有 33 种(S1 S33)的 r 蛋白。原核细胞核糖体大亚单位有 31 种(L1 L31)的 r 蛋白，小亚单位有 21 种(S1 S21)的 r 蛋白。rRNA 在核糖体亚单位内部构成特定的臂环结构，而 r 蛋白却按不同层次先后地与 rRNA 联结组装。(三)核糖体结构1.核糖体的外部构型以前描述核糖体是由一大一小的亚单位组成“不倒翁”形，现已知这两个亚单位其实是呈“无指手套”状弯曲不规则形。结合时，大/小单位以其之间凹槽构成能让mRNA 穿过的通道，而大亚单位内部还有一条垂直于该通道的隧道（肽通道） ，新合成的多肽链则由此隧道穿出，故保护了多肽链不被蛋白质水解酶所降解。2.核糖体的活性部位有 6 个与蛋白质合成功能相关的结合位点与催化位点与 mRNA 的结合位点；(2)与新掺入的氨酰tRNA 的结合位点氨酰基位点，A 位点：(3)与延伸中的肽酰tRNA 结合位点肽酰基位点，P 位点；(4)肽酰转移后即将释放的 tRNA 结合位点，E 位点；(5)使肽酰 tRNA 从 A 位点移到 P 位点的移位酶(即延伸因子 EFG)的结合位点；(6)肽酰转移酶的催化位点。rRNA 在核糖体进行蛋白质合成中的主要功能 是：(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)在合成起始及肽链延伸中与 mRNA 结合。r 蛋白的 功能推测 是：(1)促进 rRNA 折叠成有功能的三维结构；对核糖体构象变化有调控作用。二、多聚核糖体与蛋白质合成（一）多聚核糖体由多个甚至几十个核糖体串联在一条 mRNA 上,高效地进行多肽链合成。每条多聚核糖体上所具有的核糖体数目取决于 mRNA 的长度，即 mRNA 越长，串上的核糖体就越多。多肽链合成速率的高低与结合在 mRNA 上的核糖体数目成正比。真核细胞中，多聚核糖体通常是附着于内质网膜外，或游离在细胞质基质中（可能是附着在细胞骨架上） ，这是对 mRNA 高效利用和对多肽链合成数量调控的最佳方式。（二）核糖体上蛋白质合成的基本环节（以原核细胞为例）1.mRNA 与核糖体小亚单位结合，甲酰甲硫氨酸tRNA的反密码子与 mRNA 的起始密码子配对；2.核糖体大亚单位与小亚单位结合，GTP 水解供能，使甲酰甲硫氨酸tRNA 占据 P 位点；3.新的氨酰tRNA 反密码子与 mRNA 上密码子靠拢，GTP 水解供能，帮助其进入 A 位点与密码子配对；4.由肽酰转移酶催化，GTP 供能，使 P 位的甲酰甲硫氨酸与 A 位的氨基酸连成肽链；5.肽酰tRNA 从 A 位转移到 P 位上，A 位点空出，同时原处 P 位的空载 tRNA 移至 E 位释放；6.核糖体沿 mRNA53相对移动一个密码子，A 位再次安置一个氨酰tRNA；7.重复多次发生向 P 位移位。肽链随之不断延伸；8.mRNA 上暴露出终止密码，蛋白质合成终止，多肽链脱离核糖体，其大、小亚单位解聚分离。(三)核糖体的分离和重组以生化实验技术，可在体外条件下将核糖体中的 r RNA和 r 蛋白全部分离提纯，这些分离后的组分若将其混合，在无细胞结构的条件下，它们能自行装配形成。如果再对这样重建的核糖体，提供适宜的工作条件(包括mRNA、tRNA、能量、氨基酸和辅助因子等)，它们就又能有活性地合成多肽链。这种重组现象称为“自组装” 。核糖体是一种典型的自组装结构。在其自组装过程中,有一些r 蛋白是直接与 rRNA 结合，称为初级结合蛋白；而另有些蛋白却不直接与 rRNA 结合，则是与初级结合蛋白相结合的次级结合蛋白，也就是说核糖体上的蛋白质装配是有一定顺序和规律的。此外，还已知如下特点：1.大、小亚单位的 r 蛋白都有专一性结合特性。即细菌大亚单位的 r 蛋白是专门与 23S rRNA 相结合，而小亚单位的 r 蛋白却专门与 16S rRNA 相结合；2.细菌核糖体小亚单位的蛋白质无种族特异性。即由不同细菌种群所提取的小亚单位的 r 蛋白和 rRNA 可随机混合，均能装配成有功能的 30S 小亚单位，这说明原核生物核糖体的进化保守性；3.原核生物和真核生物核糖体的亚单位彼此不同，二者组装的杂交核糖体是不能合成蛋白质的；4.大肠杆菌与玉米叶绿体的核糖体极为相似，可相互交换亚单位，仍具有合成功能；5.线粒体的核糖体与原核生物的差异较大，若将它们的亚单位相互交换，其杂交核糖体无功能。三 、 RNA 在生命起源中的地位具有催化作用的一系列 RNA，统称核酶(ribozyme)。例如 rRNA 已知具肽酰转移酶活性。推测原始生