细胞生物学-核糖体.ppt

CELLBIOLOGY 细胞生物学 河南农业大学生命科学学院植物科学系 C 第一章绪论第二章细胞基本知识概要第三章细胞生物学研究方法第四章细胞质膜与细胞表面第五章物质跨膜运输与信号传递第六章细胞质基质与内膜系统第七章细胞的能量转换第八章细胞核与染色体第九章核糖体第十章细胞骨架第十一章细胞增殖及其调控第十二章细胞分化与基因表达调控第十三章细胞衰老与凋亡 第九章核糖体 ribosome Robinson Brown 1953 发现于植物细胞 Palacle 1955 发现于动物细胞 Roberts 1958 建议命名为核糖核蛋白 ribosome 简称核糖体 核糖体是细胞内合成蛋白质的工厂 在一个旺盛生长的细菌中 大约有20000个核糖体 其蛋白占细胞总蛋白的10 RNA占细胞总RNA的80 核糖体 ribosome 是核糖核蛋白体的简称 是一种颗粒状的结构 没有被膜包裹 其直径为25nm 主要成分是蛋白质与RNA 其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 附着在内质网等膜表面的称附着核糖体 不在膜表面附着 而呈游离状态 分布在细胞基质内的成游离核糖体 第一节核糖体的类型与结构 根据沉降系数的不同分为70S和80S两种类型 70S核糖体存在于细菌 线粒体和叶绿体中 80S核糖体存在于真核生物的细胞质中 40 的蛋白质 60 的RNA 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 原核和真核细胞的rRNA都具有甲基化现象 甲基化与RNA转录后加工过程的酶识别有关 另外原核5SrRNA和真核5 8SrRNA结构高度保守 常用于研究生物进化 一 核糖体的基本类型与成分 原核生物与真核生物核糖体成分的比较 核糖体的组成 游离核糖体和附着游离核糖体 70S 80S d 25nm d 30nm 二 核糖体的结构 1 离子交换树脂可分离纯化各种r蛋白 2 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 蛋白质结合到rRNA上具有先后层次性 核糖体的重组装是自我装配过程3 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 同一生物中不同种类的r蛋白的一级结构均不相同 在免疫学上几乎没有同源性 不同生物同一种类r蛋白之间具有很高的同源性 并在进化上非常保守 一 结构与功能的分析方法 4 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 5 对rRNA 特别是对16SrRNA结构的研究 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 臂环结构 stem loopstructure rRNA臂环结构的三级结构模型6 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 双向电泳 Two dimensional 2D gelelectrophoresis 是一项基于蛋白的两种不同特性 电荷和质量来分离蛋白的技术 首先基于蛋白固有电荷 通过等电聚焦 isoelectricfocusingIEF 进行第一向蛋白分离 然后根据蛋白的质量 在第二向中通过SDS PAGE电泳进行蛋白分离 E coli核糖体小亚单位中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Albertsetal 1989 核糖体小亚单位rRNA的二级结构 a E coli16SrRNA 红色为高度保守区 b 酵母菌18SrRNA 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 Darnelletal 1990 stem loopstructure 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 核糖体小亚单位中的部分r蛋白在小亚单位上的部位 引自Albertetal 1989 图a Lewin 1997 图b 二 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 涉及的多数因子为G蛋白 具有GTPase活性 核糖体上与之相关位点称为GTPase相关位点 最近人们成功地制备L11 rRNA复合物的晶体 获得了其空间结构高分辨率的三维图象 这一结果证实了前人用各种实验技术所获得的种种结论 提出直观 可靠且比人们的预料更为精巧复杂和可能的作用机制 从而为揭开核糖体这一具有30多亿年历史的古老的高度复杂的分子机器的运转奥秘迈出了极重要的一步 L11 rRNA复合物的三维结构 引自Porseet al 1999 与mRNA的结合位点 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 exitsite 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 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 一 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 三 核糖体蛋白质与rRNA的功能分析 二 在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究 1 核糖体蛋白具有催化蛋白质合成的活性 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并不完全抑制蛋白质合成 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 rRNA可能具有更重要的作用 2 在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分 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 3 r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 第二节多聚核糖体与蛋白质的合成 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 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 越长的mRNA可以结合更多的核糖体 提高了蛋白质合成的速度 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 一 多聚核糖体 polyribosome或polysome 二 蛋白质的合成 甲酰甲硫氨酸 30S 50S EF Tu EF G 移位酶 ProteinSynthesis 三 RNA在生命起源中的地位及其演化过程 三种生物大分子 只有RNA既具有信息载体功能又具有酶的催化功能 因此 推测RNA可能是生命起源中最早的生物大分子 核酶 ribozyme 具有催化作用的RNA 由RNA催化产生了蛋白质 1 生命是自我复