《W.09.核糖体》PPT课件.ppt

1、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官，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ribosome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ribosome是分布在线粒体和叶绿体基质中，在原核细胞中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25-30%。,2. 形态和大小 一般直径

2、12-30nm，由大、小两亚单位构成，通常是以大亚单位附在内质网膜or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unit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ribosme串成，但也有多至50个以上的（eg肌细胞中合成肌球蛋白质的多聚核糖体由60-80个串联而成）。 大、小亚单位的组成解离有利于ribosome位置不固定可移动到细胞中任意地方进行合成蛋白质功能。,3. 红细胞无ribosome但有大量的血红蛋白，矛盾吗？不矛盾，因为血红蛋白是红细胞的前体产生积

3、累的，但成熟的红细胞无ribosome，不产蛋白。 细胞中的ribosome数量多少不一，一般来说，增殖速度快的细胞中，分泌蛋白质的分泌细胞中也较多，例如分泌胆汗的肝细胞中为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。 原核生物核糖体70S：大亚单位50S，小亚单位30S 真核生物核糖体80S：大亚单位60S，小亚单位40S “S”是沉降系数衡量单位，大、小亚单位组成ribosome并非S值的直接相加，这里因为S值的变化与颗粒体积及形状有关。 叶绿体中的ribosome与原核生物similar，而线粒体

4、中的ribosome较小且多变，eg 哺乳动物的线粒体ribosome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RNA，极少或无脂类，70S型ribosome中，蛋白质：rRNA约1：2，80S型核糖体中，蛋白质：rRNA约1：1 1. rRNA类型： rRNA可占细胞中RNA总量的80%以上，rRNA在ribosome内部构成特定臂环结构 ： 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 80S 60S 40S 28S+5.8S5S 18S 49 33 原核细胞 70S 50

5、S 30S 23S+5S 16S 31 21 线粒体 55S 35S 25S 21S+5S 12S ,核糖体的组成,70S和80S型ribosome都含有5SrRNA，其结构大小十分接近，都由120和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，是残存在物体内的“分子化石”。 80S ribosome还含有真核生物特有的5.8srRNA，它以H链与28srRNA结合，也可解离。 2. ribosome 蛋白质类型（type）： 类型见上表，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9-1） 原一般描绘核糖体是由一大一小的亚

6、unit组成“不倒翁”形，现已知这两个亚unit其实是“无指手套”状弯曲不规则形，结合时，大小unit以其凹槽形成mRNA穿过的通道，而大亚unit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，可保护多肽不被蛋白质水解酶所分解。 Ribosome构型稳定性依靠Mg2+离子，低波度的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ribosome，当Mg2+时再时，2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

7、）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的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 site移到P位点的移位酶（即这种因子EF-G） 的结合site； 6）肽酰转移酶的催化位点。,rRNA在ribosome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site（位点）； 4）在合成起始及肽链延伸中与mRNA结合。 核糖体蛋白质的功能推测是： 1）促进rRNA折叠成有功能的多臂环三维结构；

8、 2）对ribosome构象变化有调控作用。 高效多聚ribosome上的每个ribosome在mRNA上的不同部位边读码边合成多肽链，最多能合成5条，当ribosome向前移，新的一个进入，而不是每个ribosome只合成蛋白质的某一段。,二、多聚ribosome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ribosome数目取决于mRNA的长度，即mRNA越长，ribosome就越多，多肽链合成速率提高与结合在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or游离在细胞质基质中（可能是附着

9、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。,Protein Synthesis,（二）ribosome上蛋白质合成的基本环节（以原核细胞为例）： 1. mRNA 与ribosome小亚单位结合，甲酰甲硫氨酸tRNA的反密码子与mRNA的起始code配对。 2. ribosome大亚unit与小亚unit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code靠拢，GTP水解供能，帮助其进入A site与code配对（match）。 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,

10、5. 肽酰tRNA从A位transmit到P位上，A site空出，同时原处P位的空载tRNA移至E位释放。 6. ribosome沿mRNA 5-3相对移动一个code，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code，蛋白质合成终止，多肽链脱离ribosome大小亚unit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ribosome中的rRNA & 蛋白质全部分离提纯，也能再将这些组分重新组成有活性的ribosome（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，只要给这样重建

11、的ribosome提供合适的工作条件，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，在其自组装过程中发现，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，而是与初级结合蛋白质结合的次级结合蛋白质，也就是说ribosome上蛋白质装配是有一定顺序和规律的。,核糖体组装,rRNA基因是重复的多拷贝基因。人的一个细胞中约有200个拷贝，rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节段，相邻基因之间为非转录的间隔DNA。,转录时，RNA聚合酶沿DNA分子排列，此酶由基因头端

12、向末端移动，转录好的rRNA分子从聚合酶处伸出，愈近末端愈长，从左右两侧均可伸出，呈羽毛状（“圣诞树”） 。 rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。,纤维部的纤维状物质是新合成的45SrRNA，它与蛋白质形成RNP复合体。45SrRNA甲基化以后经RNA酶裂解形成18s、28s、5.8srRNA。成熟的rRNA仅为45srRNA的一半，丢失的大部分是非甲基化和GC含量较高的区域。,5SrRNA通常定位在常染色体，合成后被转运至核仁区参与大亚基的装配 。,核糖体还有如下特点： 1. 大小亚unit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

13、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unit的蛋白质和rRNA随机混合，均可装配成有功能的30S亚unit这说明原核生物ribosome进化保守性（抗生素的广谱杀菌）作用。 3. 原核生物和真核生物ribosome与亚unit彼此不同，二者组装的杂交ribosome，不能合成蛋白质。 4. 大肠杆菌与玉米叶绿体的ribosome相似，可相互交换亚unit，仍具有合成功能（内共生起源依据）。 5. 线粒体的ribosome与原核生物的差异较大，将它们亚unit相互交换杂交ribosome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（ribo zyme）。rRNA已知具肽酰转移酶活性，因为推测原始生命体中的起始生物大分子应既有遗传信息载体功能又有酶催化功能。又因为DNA只有其一功能而无其二，蛋白质则有其二而无其一，仅RNA是两者皆有，所以推论认为RNA是地球生命起源的最