分子生物学课程论文—核糖体.doc

核 糖 体姓名： 学号：专业：药物合成与设计一 核糖体的发现核糖体最早是Albert Claude于1930s后期用暗视野显微镜观察细胞的匀浆物时发现的，当时称为微体(Microsomes)，直到1950s中期，George Palade在电子显微镜下观察到这种颗粒的存在。1958年Roberts根据化学成份命名为核糖核蛋白体，简称核糖体，又称核蛋白体。核糖体除哺乳类成熟的红细胞外，一切活细胞(真核细胞、原核细胞)中均有，它是进行蛋白质合成的重要细胞器，在快速增殖、分泌功能旺盛的细胞中尤其多。二 核糖体的结构和类型原该细胞和真核细胞中，以及真核细胞的线粒体和吁绿体中均含有核糖体，核糖体的直径约1520nm，但有的也可小到8nm，大到30nm。每一单核糖体包括大，小两个亚单位。在电镜下观察，核糖体具有一定的三维形状。对肝核糖体做负染色显示出，大亚单位略至半圆形，直径约23nm，有一侧仲小三个突起，中央为一凹陷。小亚单位呈长条形，23x12nm，约于13长度处有一细的缢痕，使小亚单位分为大小两个区域。大小亚单位结合在一起叭凹陷部位被此对应，从而形成一隧道。在进行翻译活动过程中，mRNA穿行在隧道中。此外，据认为在大亚单位中，尚有一垂直于隧道的通道，在蛋白质合成时，新合成的多肽链经通道穿出，使多肤链受到保护，不受蛋白质水解酶的分解。 Mg2+ 的浓度对于大小亚基的聚合和解离有很大的影响，体外实验表明:70S核糖体在Mg2+的浓度小于1mmol/L的溶液中易解离；当Mg2+浓度大于10mmol/L， 两个核糖体通常形成100S的二聚体；在低浓度的Mg2时，完整的核糖体将分成大小两个亚基。 按存在的部位:有三种类型核糖体，细胞质核糖体、线粒体核糖体、叶绿体核糖体。按存在的生物类型: 分为两种类型，即真核生物核糖体和原核生物核糖体。原核细胞的核糖体较小， 沉降系数为70S，相对分子质量为2.5x103 kDa，由50S和30S两个亚基组成；而真核细胞的核糖体体积较大， 沉降系数是80S，相对分子质量为3.94.5x103 kDa， 由60S和40S两个亚基组成。 图（1）三 核糖体的化学组成核糖体的主要组成为蛋白质和RNA，二者各占一半。核糖体显强的负电性，因为RNA所带负电荷量超过了蛋白质所带的正电荷量。组成核糖体的RNA是细胞中专门的一类RNA,叫核糖体RNA,简称tRAN。tRAN可占细胞中RAN总量的80以上。原核生物的核糖体含有三种大小不同的rRNA，在小亚单位中的为16SrRNA，在大亚单位小的为23s和25SrRNA。真核细胞的核糖体含有四种rRNA，在小亚单位中的为18SrRNA，在大亚单位中的为28S，5S和5.8 SrRNA。如图（2）图（2）核糖体蛋白通过电泳和层析等技术，已经鉴定了E.coli核糖体小亚基的21种蛋白质和大亚基的34种蛋白质。小亚基的蛋白分别命名为S1S21，大亚基的核糖体蛋白命名为L1L33。核糖体中的蛋白质除了一种具有四个拷贝外，其余都是一个拷贝。核糖体rRNAHarry Holler测定了E.coli 16S rRNA序列，一共有1542个核苷酸。通过计算机分析，发现不同生物来源的16S rRNA的序列组成具有进化上的保守性。推测16S rRNA结构有四个结构域， 每个结构域都有46%的碱基配对，形成螺旋的柄状结构。每一个柄状结构都很短，不到8 bp，且并不都是完全配对的。16S rRNA的电子显微照片的形态与30S核糖体亚基相似，因此认为30S核糖体亚基的形态主要是由16S rRNA决定的。折叠主要是由序列中互补碱基配对引起的。四 核糖体的自我装配自组装(self-assembly): 1968年， Masayasu Nomura把拆开的大肠杆菌核糖体的 30S小亚基的21种蛋白质与16S rRNA在体外混合后重新装配成30S小亚基， 然后把重建的小亚基同50S大亚基以及其他辅助因子混合后， 进行蛋白质合成实验，发现重建的核糖体具有生物活性，能催化氨基酸掺入到蛋白质多肽链中。这一实验表明，核糖体是种自组装(self-assembly)的结构，即没有样板或亲体结构所组成的结构。但是在组装过程中，某些蛋白质必须首先结合到rRNA上，其他蛋白才能组装上去，即组装过程有先后层次，如图（3）。 图（3） 图（4）五 核糖体参与蛋白纸的合成核糖体上的结合位点如图（4）A位点(A site) 即氨酰基位点，是与新掺入的氨酰tRNA(aminoacyl-tRNA )结合的位点, 又叫受位(entry site)，主要位于大亚基，是接受氨酰tRNA的部位；P位点(P site)即肽酰tRNA位点(peptidyl-tRNA site), 又叫供位(donor site), 或肽酰基位点, 主要位于大亚基, 是肽基tRNA移交肽链后肽酰tRNA所占据的位置, 即与延伸中的肽酰tRNA结合位点；E 位点(exit site, E site) E位点是脱氨酰tRNA(deaminoacyl-tRNA)离开A位点到完全从核糖体释放出来的一个中间停靠点,只是作暂时的停留。当E位点被占据之后,A位点同氨酰tRNA的亲和力降低,防止了氨酰tRNA的结合,直到核糖体准备就绪,E位点腾空,才会接受下一个氨酰tRNA。在核糖体上合成多肽链，分为三个完全不同的过程: 链的起始、链的延伸、链的终止 （1）链的起始 蛋白质合成的起始涉及到mRNA、起始tRNA和核糖体小亚基之间的相互作用，最后装配成完整的核糖体，起始过程分三步完成；起始过程涉及多步反应，在原核生物中需要三个起始因子，在真核生物中涉及多个起始因子； 参与的因子包括起始因子1-3，以及mRNA、转运tRNA、GTP等 （2）多肽链的延伸(elongation)如图（5）一旦起始复合物形成，蛋白质的合成随即开始，此过程称为蛋白质合成的延伸。延伸涉及四个重复的步骤A氨酰tRNA进入核糖体的A位点；B肽键形成；C转位;D脱氨酰tRNA释放。上述四步的循环，使肽链不断延长。在整个过程中，需要GTP和一些延长因子的参与 图（5） 图（6）（3）终止(termination)蛋白质合成的终止是指核糖体沿着mRNA移动，如果进入A位的是终止密码子，由于没有与之匹配的反密码子，而终止蛋白质的合成。一共有三种终止密码子:UAA、UAG、UGA，其中任何一种进入A位都会终止蛋白质的合成，并导致多肽链从核糖体释放出来，原核细胞使用几种不同的释放因子与终止密码子作用，而真核细胞中所有的终止密码子都是与相同的释放因子作用。图（7）六 核糖体的最新研究2009 年度诺贝尔化学奖授予了美国科学家Venkatraman Ramakrishnan、Thomas A. Steitz 和以色列科学家Ada E.Yonath图（8），以表彰他们“对核糖体结构和功能的研究”。 高分辨率的核糖体晶体结构使得人们能够在原子水平深入精确地理解核糖体的分子机制，并且为基于结构的合理化抗生素设计打下了坚实基础。以色列女科学家Ada E. Yonath 是整个核糖体晶体结构研究领域的核心人物，她10 多年坚持不懈地进行多种细菌核糖体的提纯与晶体生长工作，才使得核糖体高分辨率晶体结构解析成为可能。 图（9）三位科学家和他们的合作者各自独立地利用由强场粒子加速器产生的X 线照射， 并运用巨型计算机进行计算， 成功地绘出了细胞内称为核糖体的大分子复合体中数十万个原子的分布图。核糖体三维结构与新型抗生素的研发揭密核糖体的原子水平精细三维结构，不仅仅满足了人们理解自然、探索未知的好奇心，这样的研究对于研发新药、挽救生命也至关重要，尤其是在抗生素领域。众所周知，半个多世纪以来，以青霉素为代表的抗生素开始被广泛应用于现代医学领域，是人类对抗细菌感染的最有力武器之一，被誉为是有史以来医药界最伟大的发明（发现）， 仅仅抗生素一项，就把人类寿命提高了近一倍。然而，近30 年来，越来越多的抗药性菌株被发现，逐渐开始抵消了这一武器的威力。目前，在美国每年大约有9 万人死于细菌感染，而在20 年前，这一数字仅为1.3 万人，其中最大的原因，就是细菌对大部分临床使用的抗生素产生了抗药性。为了克服抗药性，人们在不断理解各种各样的抗药性机制，发现抗药性靶点，并由此研发新的抗生素。随着抗药性靶标（大部分是水解酶类，或者抗生素结合蛋白）被不断发现，特别是越来越多的相关蛋白质三维结构被解析，人们开始基于蛋白质结构合理地设计新的抗生素药物；随着细菌核糖体的原子水平三维结构被解析，其中一半抗生素新药的靶点都瞄准了细菌的核糖体，因为抑制细菌核糖体的抗生素一般不会对人类的核糖体起作用。诺贝尔化学奖评选委员会主席、生物化学家Gunnar vonHeijne 教授和评委、核糖体研究专家M覽ns Ehrenberg 教授解释说，如果没有核糖体存在，病菌就无法存活；通过抑制病菌的核糖体，就能使得细菌丧失自我复制的能力，从而达到治疗的目的。要进行基于核糖体的三维结构的抗生素药物设计，首先需要获得细菌核糖体的高分辨率三维原子结构（图10）。2009年，3 位诺贝尔化学奖获奖者通过独立以及合作的研究工作，得到了高分辨率（0.250.28 nm）的X 射线晶体衍射数据，并且解析出了许多不同的复合物（其中包含许多抗生素小分子与核糖的复合物）三维结构19，这些结构为进一步开展合理化药物设计打下了坚实的基础。为此，Steitz 还参与成立了一家名为Rib-X 的医药研发公司，专门研究针对细菌核糖体的抗生素药物，他们发明的一种药物目前已经完成二期临床试验。图（10）目前，对于核糖体的研究仍在如火如荼地进行，科学家在不断发现其新的结构特性的同时，更多人可以根据这些发现不断设计出更加有效的药物。参考文献：1 分子细胞生物学作者:韩贻仁编著 出版社:北京市：高等教育出版社 页数:466页 出版日期:1988.05，178-182页2 现代分子生物学朱玉贤，李毅，郑晓峰编著，北京：北京高等教育出版社，2007.113 百度文库：/view/