第九章 核糖体.doc

第九章 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1230nm，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：80s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”是沉降系数衡量单位。大、小亚单位组成核糖体，并非由s值直接相加，这是因为s值的变化与颗粒体积及形状相关）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较小且多变，如哺乳动物的线粒体核糖体是55s.一般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蛋白质和rRNA，极少或无脂类。70s型核糖体之中，蛋白质：rRNA约1：2；而在80s型核糖体之中，蛋白质：rRNA约1：1。 1.rRNA类型 rRNA可占细胞中RNA总量的80%以上 核糖体来源核糖体大亚单位小亚单位rRNA蛋白质数量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5SrRNA，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，是残存在生物体内的“分子化石”。80s核糖体还含有真核生物特有的5.8s rRNA，它以氢键与28s rRNA结合，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(L1L49)蛋白质，小亚单位有33种(S1S33)蛋白质。原核细胞核糖体大亚单位有31种(L1L31)蛋白质，小亚单位有21种(S1S21)蛋白质。rRNA在核糖体亚单位内部构成特定的臂环结构，蛋白质分不同层次先后与rRNA联结组装。 (三)核糖体结构 1.核糖体的外部构型(图91) 原一般描绘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形成mRNA穿过的通道，而大亚单位内部还有一条垂直于通道的隧道，新合成的多肽链则由此隧道穿出，可保护多肽链不被蛋白质水解酶所分解。核糖体构型稳定性依靠镁离子，低浓度的Mg2+是核糖体结构的粘聚剂。离体试验中，当去除Mg2+时，大、小亚单位分离；当Mg2+离子浓度达0.001M时，大小亚单位结合成单个核糖体；当Mg2+时再增高时，两个单体还可聚合成二聚体。 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(1) 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。 核糖体蛋白的功能推测是： (1)促进rRNA折叠成有功能的三维结构；(2) 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。多肽链合成速率的提高与结合在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，大小亚单位分离。(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rRNA和蛋白质全部分离提纯，也能再将这些组分重新组装成有活性的核糖体。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，如果再给这样重建的核糖体，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,有一些蛋白质是直接与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.小亚单位的蛋白质都有专一性结合特性。即细菌大亚单位的蛋白质专门和23s rRNA结合，而小亚单位的蛋白质却专门和16s rRNA结合；2.细菌核糖体小亚单位蛋白质无种族特异性。即由不同细菌种群提取的小亚单位的蛋白质和rRNA随机混合，均可装配成有功能的30s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