核糖体和蛋白质合成-课件

第七章第七章 核糖体核糖体和蛋白质合成和蛋白质合成 核糖体核糖体(ribosome)是合成蛋白质的细胞器，其唯一的功能是按是合成蛋白质的细胞器，其唯一的功能是按照照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。核糖体核糖体是一种无膜包被的颗粒状结构，具有很强的嗜碱性。其体积很小，直径约为25纳米，在光镜下很难分辨清楚。核糖体几乎存在于一切细胞内，游离于细胞质基质中，或附着于内质网膜及核膜上（真核细胞）。核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构 多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体与蛋白质的合成 2020/12/121第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构 核糖体的基本类型与成分核糖体的基本类型与成分核糖体的结构核糖体的结构核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与rRNA的功能分析的功能分析2020/12/122精品资料你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早”一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分核糖核蛋白体,简称核糖体(ribosome)基本类型附着核糖体游离核糖体70S的核糖体80S的核糖体主要成分r蛋白质：40%，核糖体表面rRNA:60%,，核糖体内部2020/12/125v1）核糖体）核糖体RNA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，在大亚单位中的为23SrRNA和5SrRNA。真核生物的核糖体含有4种rRNA，在小亚单位中的为18SrRNA，在大亚单位中的为28S、5S和5.8SrRNA。rRNA具有高度复杂的二级结构，线性rRNA分子内部有70的区段形成了双链螺旋。各种蛋白质则结合到折叠的rRNA分子上。v（2）核糖体蛋白）核糖体蛋白大肠杆菌核糖体中共含有50多种蛋白质，其中小亚单位约有21种，大亚单位含有30余种，组成核糖体的蛋白质，在大小亚单位中均有一定的空间分布。真核生物的核糖体所含有蛋白质的种类比原核生物的要多一些，大亚单位含有49种，小亚单位含有33种，共计约80余种。2020/12/126二、核糖体的结构二、核糖体的结构v在电镜下，核糖体具有一定的三维形态，且每一核糖体均由大、小两个亚单位构成。v大亚单位略呈半圆形，直径约为23纳米，在一侧伸出三个突起，中央为一凹陷；v小亚单位呈长条形，在约13长度处有一细的缢痕，将小亚单位分为大小两个区域。v当大小亚单位结合在一起成核糖体时，其凹陷部位彼此对应，从而形成一个隧道，为蛋白质翻译时mRNA的穿行通路。v两亚单位常常游离于细胞质溶质中，当小亚单位与mRNA结合后，大亚单位才与小亚单位结合成完整的核糖体。肽链翻译结束后，大小亚单位解离，重新游离于细胞质溶质中。两亚单位的结合与分离受Mg2+的影响。2020/12/127三、核糖体蛋白质与三、核糖体蛋白质与rRNA的功能分析的功能分析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在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分r蛋白质的主要功能2020/12/128 核糖体上具有一系列与蛋白质核糖体上具有一系列与蛋白质 合成有关的合成有关的结合位点与催化位点结合位点与催化位点与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2020/12/129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。2020/12/1210r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。2020/12/1211第二节第二节 聚核糖体与蛋白质的合成聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体多聚核糖体(polyribosome或或polysome)蛋白质的合成蛋白质的合成 RNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程2020/12/1212一、多聚核糖体一、多聚核糖体 (polyribosome或或polysome)概念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。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。2020/12/1213二、二、蛋白质的合成蛋白质的合成v蛋白质的合成过程比较复杂，由核糖体、mRNA和tRNA三者密切配合共同完成，一般要经过肽链合成的起始、延伸和终止三个阶段的反应，才能转译出多肽产物。2020/12/1214翻译的起始翻译的起始v细菌中翻译的起始需要如下7种成份：（1）30S小亚基，（2）模板mRNA，（3）fMet-tRNAfMet，（4）三个翻译起始因子，IF-1、IF-2和IF-3，（5）GTP，（6）50S大亚基，（7）Mg2+。翻译起始又可被分成三步（图4-12）。第一步，30S小亚基首先与翻译起始因子IF-1，IF-2结合，再在SD序列的帮助下与mRNA模板结合。第二步，在IF-2和GTP的帮助下，fMet-tRNAfMet进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。第三步，带有tRNA，mRNA，三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。2020/12/1215肽链的延伸肽链的延伸v生成起始复合物，第一个氨基酸（fMet/Met-tRNA）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括AA-tRNA与核糖体结合、肽键的生成和移位。2020/12/1216（1）后续后续AA-tRNA与核糖体结合与核糖体结合v起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNAEF-TuGTP复合物，然后结合到核糖体的A位上。这时GTP被水解释放，通过延伸因子EF-Ts再生GTP，形成EF-TuGTP复合物，进入新一轮循环。v模板上的密码子决定了哪种AA-tRNA能被结合到A位上。由于EF-Tu只能与fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位上，这就是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现甲酰甲硫氨酸的原因。2020/12/1217（2）肽键的生成肽键的生成v经过上一步反应后，在核糖体mRNAAA-tRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet-tRNAfMet占据P位。在肽基转移酶（peptidyl transferase）的催化下，A位上的AA-tRNA转移到P位，与fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽键。起始tRNA在完成使命后离开核糖体P位点，A位点准备接受新的AA-tRNA，开始下一轮合成反应。2020/12/1218（3）移位移位v肽键延伸过程中最后一步反应是移位，即核糖体向mRNA3端方向移动一个密码子（图4-18）。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基tRNA2从A位进入P位，去氨基酰-tRNA被挤入E位，mRNA上的第三位密码子则对应于A位。EF-G是移位所必须的蛋白质因子，移位的能量来自另一分子GTP水解。v用嘌呤霉素作为抑制剂做实验表明，核糖体沿mRNA移动与肽基-tRNA的移位这两个过程是耦联的。v肽链延伸是由许多个这样的反应组成的，原核生物中每次反应共需3个延伸因子，EF-Tu、EF-Ts及EF-G，真核生物细胞需EF-1及EF-2，消耗2个GTP，向生长中的肽链加上一个氨基酸。2020/12/1219肽链的终止肽链的终止v肽链的延伸过程中，当终止密码子UAA、UAG或UGA出现在核糖体的A位时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子能识别这些密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的二酯键。接着，新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，核糖体大、小亚基解体，蛋白质合成结束。释放因子RF具有GTP酶活性，它催化GTP水解，使肽链与核糖体解离。v细菌细胞内存在三种不同的终止因子（或称释放因子，RF1，RF2，RF3），RF1能识别UAG和UAA，RF2识别UGA和UAA。一旦RF与终止密码相结合，它们就能诱导肽基转移酶把一个水分子而不是氨基酸加到延伸中的肽链上。RF3可能与核糖体的解体有关。真核细胞只有一个（RF）终止因子。2020/12/1220三、三、RNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系三种生物大分子，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。由RNA催化产生了蛋白质。DNA代替了代替了RNA的遗传信息功能的遗传信息功能DNA双链比RNA单链稳定；DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧啶，使之易于修复。蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能酶的功能蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；与RNA相比，蛋白质能更为有效地催化多种生化反应，并提供更为复杂的细胞结构成分，逐渐演化成今天的细胞。2020/12/12212020/12/12222020/12/12232020/12/1224原核生物与真核生物核糖体成分的比较原核生物与真核生物核糖体成分的比较2020/12/1225E.coli核糖体小亚单位中核糖体小亚单位中rRNA与与r蛋白的相互关系示意图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）2020/12/1226 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）及其在小亚单位上的部位 （引自Albert et al.，1989，图a;Lewin,1997,图b）2020/12/1227 核糖体小亚单位核糖体小亚单位rRNA的二级结构的二级结构(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140)，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)2020/12/12282020/12/12292020/12/12302020/12/12312020/12/12322020/12/1233