细胞生物学--核糖体--课件

第六章第六章 第第2 2节节 核糖体核糖体1核糖体的类型和化学成分核糖体的类型和化学成分6.1核糖体的结构和功能部位核糖体的结构和功能部位 6.26.3核糖体与蛋白质合成核糖体与蛋白质合成 26.1.1 核糖体的类型核糖体的类型按存在的生物类型按存在的生物类型分分两种类型核糖体两种类型核糖体:原核细胞的核糖体原核细胞的核糖体:沉降系数为沉降系数为70S，分子量为分子量为2.5x103 kDa,50S和和30S两个亚基组成。两个亚基组成。真核细胞的核糖体真核细胞的核糖体:沉降系数是沉降系数是80S，分子量为分子量为3.94.5x103 kDa,60S和和40S两个亚基组成。两个亚基组成。按存在的部位按存在的部位:有三种类型核糖体有三种类型核糖体细胞质核糖体细胞质核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体叶绿体核糖体叶绿体核糖体组成上，叶绿体中的核糖体与原核生物核糖体相同，但组成上，叶绿体中的核糖体与原核生物核糖体相同，但线粒体中核糖体的大小变化较大。线粒体中核糖体的大小变化较大。3结构：由大亚基、小亚基结合形成。蛋白质合成时，大、小结构：由大亚基、小亚基结合形成。蛋白质合成时，大、小亚基结合在一起，成为完整的核糖体才能发挥作用，当蛋亚基结合在一起，成为完整的核糖体才能发挥作用，当蛋白质合成结束时，大、小亚基随即分离。白质合成结束时，大、小亚基随即分离。类型类型:70S70S的核糖体（原核细胞）的核糖体（原核细胞）80S 80S的核糖体（真核细胞）的核糖体（真核细胞）6.1.1 6.1.1 核糖体的类型和化学成分核糖体的类型和化学成分 480S80S真核细胞的真核细胞的细胞质核糖体细胞质核糖体70S70S原核细胞的原核细胞的细胞质核糖体细胞质核糖体55S55S线粒体核糖体线粒体核糖体真核与原核细胞质核糖体大小不同：真核与原核细胞质核糖体大小不同：56.1.2 6.1.2 核糖体的化学组成核糖体的化学组成 原核生物原核生物真核生物真核生物完整核糖体完整核糖体7070S S8080S S大亚基大亚基大小大小50S50S60S60SrRNArRNA2323S S、5S5S2828S S、5.8S5.8S、5S5S蛋白质蛋白质3434种种4545种种小亚基小亚基大小大小3030S S4040S SrRNArRNA1616S S1818S S蛋白质蛋白质2121种种3333种种核蛋白颗粒（核蛋白颗粒（RNP):rRNA(60%)+蛋白质蛋白质(40%)6rRNArRNA分子部分碱基配对形成许多短的双链区，并形成螺旋分子部分碱基配对形成许多短的双链区，并形成螺旋状，非配对区形成环状或泡状；共同折叠成复杂的三维结状，非配对区形成环状或泡状；共同折叠成复杂的三维结构，组成核糖体骨架。构，组成核糖体骨架。76.2 6.2 核糖体的结构和功能部位核糖体的结构和功能部位6.2.1 6.2.1 核糖体的结构核糖体的结构 8核糖体的存在形式核糖体的存在形式v游离核糖体：游离核糖体：细胞胞质基基质v附着核糖体（膜附着核糖体（膜结合核糖体）：合核糖体）：内内质网的外表面网的外表面9细胞质中游离的核糖体在蛋白质合成时常常是多个核糖体结细胞质中游离的核糖体在蛋白质合成时常常是多个核糖体结合在一条合在一条mRNAmRNA分子上，形成分子上，形成多聚核糖体多聚核糖体（polyribosome）,可可以进行连续的转录。以进行连续的转录。10多聚核糖体多聚核糖体(polyribosome或或polysome)蛋蛋白白质质合合成成过过程程中中，同同一一条条mRNA分分子子能能够够同同多多个个核核糖糖体体结结合合，同同时时合合成成若若干干条条蛋蛋白白质质多多肽肽链链，结结合合在在同同一一条条mRNA上上的的核核糖糖体就称为多聚核糖体体就称为多聚核糖体生物学意义生物学意义不不 论论 其其 mRNA的的 长长 短短 如如 何何，单单 位位 时时 间间 内内 所所 合合 成成 的的 多肽分子数目都大体相等。多肽分子数目都大体相等。对对mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。11在在mRNA的起始密码子部位，核糖体向的起始密码子部位，核糖体向mRNA的的3端移动，直到到达终止密码端移动，直到到达终止密码子处。子处。当第一个核糖体离开起始密码子后，空出的起始密码子的位置足够与另一个核当第一个核糖体离开起始密码子后，空出的起始密码子的位置足够与另一个核糖体结合时，第二个核糖体的小亚基就会结合上来，并装配成完整的起始复合糖体结合时，第二个核糖体的小亚基就会结合上来，并装配成完整的起始复合物，开始蛋白质的合成。物，开始蛋白质的合成。同样，第三个核糖体、第四个核糖体、同样，第三个核糖体、第四个核糖体、依次结合到依次结合到mRNA上。上。据电子显微照片推算，多聚核糖体中，每个核糖体间相隔约据电子显微照片推算，多聚核糖体中，每个核糖体间相隔约80个核苷酸。个核苷酸。12核糖体中核糖体中rRNArRNA是起主要作用的成分是起主要作用的成分具有肽酰转移酶的活性；具有肽酰转移酶的活性；为为tRNA提供结合位点提供结合位点(A位点、位点、P位点和位点和E位点位点)；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；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在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结选择性地结 合以及在肽链的延伸中与合以及在肽链的延伸中与mRNA结合；结合；核糖体大小亚单位的结合、校正阅读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、无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等以及抗菌素的作用等 都与都与rRNA有关。有关。136.2.2 6.2.2 核糖体与蛋白质合成有关的活性部位核糖体与蛋白质合成有关的活性部位 vmRNAmRNA结合部位结合部位vA A部位部位(受体部位）受体部位）v肽基转移酶位肽基转移酶位vGTPGTP酶位酶位vP P部位（供体部位）部位（供体部位）vE E部位部位14与与mRNA的结合位点的结合位点与与新新掺掺入入的的氨氨酰酰-tRNA的的结结合合位位点点氨氨酰酰基基位位点点，又又称称A位位点点与与延延伸伸中中的的肽肽酰酰-tRNA的的结结合合位位点点肽酰基位点，又称肽酰基位点，又称P位点位点肽肽酰酰转转移移后后与与即即将将释释放放的的tRNA的结合位点的结合位点E位点位点(exit site)4个与个与RNA结合的位点结合的位点 一个是一个是mRNA结合，另三结合，另三个与个与tRNA结合结合15核糖体的功能核糖体的功能合成蛋白质的机器合成蛋白质的机器游离于胞质中的核糖体合成细胞本身所需结游离于胞质中的核糖体合成细胞本身所需结构蛋白，如细胞内代谢酶、红细胞内血红蛋构蛋白，如细胞内代谢酶、红细胞内血红蛋白、肌细胞的肌动蛋白等。白、肌细胞的肌动蛋白等。附着于内质网上的核糖体合成分泌蛋白，如附着于内质网上的核糖体合成分泌蛋白，如激素、抗体、酶类等，激素、抗体、酶类等，溶酶体酶也是附着核溶酶体酶也是附着核糖体合成的。糖体合成的。16遗传信息的流动方向遗传信息的流动方向 176.3 6.3 核糖体与蛋白质合成核糖体与蛋白质合成v6.3.1 6.3.1 真核细胞的基因结构及功能真核细胞的基因结构及功能 v6.3.1.1 6.3.1.1 基因的结构基因的结构 v大多数真核生物基因由编码序列和非编码序列两大多数真核生物基因由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列在部分组成，编码序列在DNADNA分子中是不连续的，被分子中是不连续的，被非编码序列隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，因非编码序列隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，因此称为此称为割裂基因割裂基因或或断裂基因断裂基因(split gene)split gene)。v真核细胞的结构基因一般包括转录区、侧翼序列真核细胞的结构基因一般包括转录区、侧翼序列两部分。两部分。18转录区转录区v转录区中含有若干段编码序列和非编码序列，转录区中含有若干段编码序列和非编码序列，编码蛋白质的序列称为编码蛋白质的序列称为外显子外显子（exonexon）。）。非编非编码的间隔序列称为码的间隔序列称为内含子内含子（intronintron）。）。19侧翼序列侧翼序列v转录区的两侧都有一段不被转录的序列，称为侧翼序列。侧转录区的两侧都有一段不被转录的序列，称为侧翼序列。侧翼序列上有一系列调控序列，对基因的有效表达起着调控作翼序列上有一系列调控序列，对基因的有效表达起着调控作用。这些结构包括启动子（用。这些结构包括启动子（promoterspromoters）、）、增强子增强子（enhanceenhance）、）、沉默子（沉默子（silencersilencer）和终止子（和终止子（terminatorterminator）等。等。20蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成v蛋白质生物合成又称蛋白质生物合成又称翻译翻译（translation），），是指由是指由RNA参与的蛋的蛋白质生物合成的过程，它将白质生物合成的过程，它将核酸的碱基核酸的碱基序列序列转变为转变为蛋白质中的氨基酸序列。蛋白质中的氨基酸序列。2122v参与翻译的参与翻译的RNA分子有分子有tRNA、rRNA和和mRNA。tRNA的功能是转运氨基酸，的功能是转运氨基酸，rRNA与多种蛋白质组成核糖体作为翻译进行的场与多种蛋白质组成核糖体作为翻译进行的场所，所，mRNA作为翻译的模板。作为翻译的模板。v经过三种经过三种RNA以及多种蛋白质的以及多种蛋白质的相互作用相互作用，使来自使来自DNA的遗传信息正确地传递到蛋白质。的遗传信息正确地传递到蛋白质。23 遗传密码遗传密码遗传密码遗传密码v遗传密码（遗传密码（genetic code）是联系是联系核酸的碱基序核酸的碱基序列列和和蛋白质的氨基酸序列蛋白质的氨基酸序列的途径。的途径。mRNA上由三上由三个碱基代表一种氨基酸，称为个碱基代表一种氨基酸，称为密码子密码子（codon）。）。v生物体内存在生物体内存在多个密码子代表一种氨基酸多个密码子代表一种氨基酸的情况。的情况。24v1954年，物理学家年，物理学家George Gamov根据在根据在DNA中存中存在在四种核苷酸四种核苷酸，在，在蛋白质蛋白质中存在中存在二十种氨基酸二十种氨基酸的的对应关系对应关系，提出三个核苷酸为一个氨基酸编码是，提出三个核苷酸为一个氨基酸编码是最理想的。因为在有四种核苷酸的条件下，最理想的。因为在有四种核苷酸的条件下，64（43=64）是能满足为）是能满足为20种氨基酸编码的最小数，种氨基酸编码的最小数，这也符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵这也符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循的循的经济原则经济原则。25v除除甲硫氨酸甲硫氨酸和和色氨酸色氨酸外，其他的氨基酸均有两种以外，其他的氨基酸均有两种以上的密码子。多种密码子编码一种氨基酸的现象称上的密码子。多种密码子编码一种氨基酸的现象称为为简并简并（degeneracy），），代表同一种氨基酸的密代表同一种氨基酸的密码子称为码子称为同义密码子同义密码子（synonyms）。）。v氨基酸的密码子数目和它在蛋白质中出现的频率并氨基酸的密码子数目和它在蛋白质中出现的频率并没有明显的正相关性。没有明显的正相关性。26遗传密码表遗传密码表(三连体密码）三连体密码）第第1个个核苷酸核苷酸第第2个核苷酸个核苷酸第第3个个核苷酸核苷酸UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸终止密码终止密码终止密码终止密码半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸终止密码终止密码色案酸色案酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG6.3.1.3 6.3.1.3 遗传信息的流动规律遗传信息的流动规律 甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸27遗传密码的特征遗传密码的特征v连续性连续性v方向性方向性v兼并性兼并性v通用性通用性286.3.1.4 mRNA6.3.1.4 mRNA的合成、加工的合成、加工 以以DNADNA为模板，按照碱基互补配对规律，在为模板，按照碱基互补配对规律，在转录因子和转录因子和RNARNA聚合酶的作用下合成聚合酶的作用下合成RNARNA的过的过程称为程称为转录转录。DNADNA转录的基本过程包括转录的基本过程包括转录转录起始起始、RNARNA链延长链延长和和转录终止转录终止三个阶段。三个阶段。29（1 1）转录起始）转录起始v转录是在转录是在DNADNA上的特定部位开始的，转录起始点之上的特定部位开始的，转录起始点之前有一段特定的核苷酸序列，是前有一段特定的核苷酸序列，是RNARNA聚合酶的识别聚合酶的识别和结合部位，称为和结合部位，称为启动子启动子。RNARNA聚合酶在转录因子聚合酶在转录因子的参与下与启动子结合，识别转录起点，使的参与下与启动子结合，识别转录起点，使DNADNA分分子双螺旋结构局部解旋，以反编码链子双螺旋结构局部解旋，以反编码链(3(355)为模板为模板,开始转录。开始转录。TATACAATGCGC启动子启动子RNA聚合酶聚合酶转录因子转录因子3530转录起始31（2 2）RNARNA链的延伸链的延伸RNARNA延伸时，延伸时，DNADNA双链继续解旋，双链继续解旋，暴露出模板链，暴露出模板链，RNARNA聚合酶沿聚合酶沿DNADNA模板链从模板链从3535端移动，以碱基端移动，以碱基互补配对方式使互补配对方式使RNARNA链由链由5353端端方向逐步延伸。方向逐步延伸。32（3 3）转录终止转录终止 移动的移动的RNA聚合酶如果遇到聚合酶如果遇到DNA链上的终止子时，转录链上的终止子时，转录将终止。将终止。RNA聚合酶与聚合酶与DNA分离，新合成的分离，新合成的RNA分子被分子被释放，释放，DNA双螺旋结构得以双螺旋结构得以恢复。恢复。在转录过程中，在转录过程中，DNA分子是分子是以启动子为起点，以终止子以启动子为起点，以终止子为终点，所包含的核苷酸片为终点，所包含的核苷酸片段作为一个转录单位，也称段作为一个转录单位，也称为转录子（为转录子（transcripton）。）。33（4 4）转录后加工）转录后加工 vvmRNAmRNA转录形成的转录形成的转录形成的转录形成的RNARNA分子称为核内异质分子称为核内异质分子称为核内异质分子称为核内异质RNARNA（hnRNAhnRNA），），），），它包括外显子、内含子和部分侧翼序列。它包括外显子、内含子和部分侧翼序列。它包括外显子、内含子和部分侧翼序列。它包括外显子、内含子和部分侧翼序列。hnRNAhnRNA要经过戴帽、要经过戴帽、要经过戴帽、要经过戴帽、剪接、加尾等加工过程才能形成成熟的剪接、加尾等加工过程才能形成成熟的剪接、加尾等加工过程才能形成成熟的剪接、加尾等加工过程才能形成成熟的mRNAmRNA。34戴帽v戴帽是指在戴帽是指在hnRNAhnRNA的的5 5端加上一个端加上一个7-7-甲基甲基-鸟嘌呤鸟嘌呤核苷（核苷（M M7 7G G）的帽子，帽子的帽子，帽子可以封闭可以封闭mRNA5mRNA5端，防止端，防止被核酸外切酶的水解，增被核酸外切酶的水解，增强强mRNAmRNA稳定性，同时帽子稳定性，同时帽子也是核糖体小亚基识别也是核糖体小亚基识别mRNAmRNA的结构。的结构。戴帽戴帽35加尾v加尾是加尾是mRNAmRNA在在polyApolyA聚合酶的作用下，在聚合酶的作用下，在3 3端加接端加接100100200200个腺苷酸，形成多聚腺苷酸尾个腺苷酸，形成多聚腺苷酸尾(poly A)(poly A)的过程。的过程。其作用可能是保持其作用可能是保持mRNAmRNA的的33端稳定，不受酶的破坏，并端稳定，不受酶的破坏，并且可以促使且可以促使mRNAmRNA由细胞核转运到细胞质中。由细胞核转运到细胞质中。36剪接剪接 剪接是在酶和核内剪接是在酶和核内小分子小分子RNARNA的作用的作用下，按下，按GT-ATGT-AT法则法则将将hnRNAhnRNA中的内含中的内含子切掉，然后把各子切掉，然后把各个外显子按照一定个外显子按照一定顺序准确地拼接起顺序准确地拼接起来，形成可以连续来，形成可以连续编码的编码的mRNAmRNA链的过链的过程。程。376.3.2.1 6.3.2.1 tRNAtRNA的结构和功能的结构和功能 6.3.2.1.1 6.3.2.1.1 tRNAtRNA的结构的结构 386.3.2.1.2 6.3.2.1.2 氨酰氨酰-tRNAtRNA的形成的形成 397.3.2.1.3 7.3.2.1.3 tRNAtRNA反密码子与反密码子与mRNAmRNA密码子的识别密码子的识别 406.3.3 6.3.3 细胞中蛋白质的生物合成细胞中蛋白质的生物合成 v6.3.3.1 6.3.3.1 肽链合成的起始肽链合成的起始 v mRNAmRNA复合物的形成复合物的形成41vMet-Met-tRNAtRNAi iMetMet先和先和GTPGTP、eIF2eIF2形成三元复合体，形成三元复合体，4040S S小亚基在小亚基在elF3elF3、elF4celF4c作用下与三元复合体作用下与三元复合体组成组成4343S S前起始复合物。前起始复合物。4343S S前起始复合物的形成前起始复合物的形成42mRNAmRNA复合物与复合物与4343S S前起始复合物结合形成前起始复合物结合形成4848S S前起始复合物。前起始复合物。4848S S前起始复合物的形成前起始复合物的形成438080S S起始复合物的形成起始复合物的形成v在在elF5elF5的作用下，的作用下，4848S S前前起始复合物中的所有起始复合物中的所有elFelF释放出，并与释放出，并与6060S S大亚基大亚基结合，最终形成结合，最终形成8080S S起始起始复合物。复合物。446.3.3.2 6.3.3.2 肽链延伸肽链延伸 v进进 位位：与与mRNAmRNA第第 二二 个个密密码码子子相相对对应应 的的 氨氨 酰酰-tRNAtRNA进入进入A A位。位。45在肽酰转移酶的催在肽酰转移酶的催化下，将化下，将p位上位上tRNA所携的甲硫所携的甲硫氨酰（或肽酰）的氨酰（或肽酰）的羧基转移给羧基转移给A位上位上新进入的氨酰新进入的氨酰-tRNA上的氨基结上的氨基结合，形成肽键。合，形成肽键。转肽转肽464748在在eEF2eEF2作用下，作用下，GTPGTP酶酶部位的转位酶（部位的转位酶（G G因子）因子）分解分解GTPGTP提供能量，使提供能量，使核糖体向核糖体向mRNAmRNA的的3 3端端方向移动一个密码子的方向移动一个密码子的距离，距离，P P位上的位上的tRNAtRNA从从P P位上释放，肽酰位上释放，肽酰-tRNAtRNA由由A A位移至位移至P P位，位，A A位重位重新空出，为下一个氨酰新空出，为下一个氨酰-tRNAtRNA的进位做好准备。的进位做好准备。移位移位49506.3.3.3 肽链合成的终止肽链合成的终止 v当当P位上出现终止信号（位上出现终止信号（UAA、UAG、UGA）时，时，没有相应的氨酰没有相应的氨酰-tRNA进入进入A位，释放因子位，释放因子（release factor，RF，或称终止因子）在或称终止因子）在GTP的的参与下识别终止密码并进入参与下识别终止密码并进入A位，使核糖体的肽基位，使核糖体的肽基转移酶活性转变为水解酶活性，水解转移酶活性转变为水解酶活性，水解P位上的位上的tRNA与肽链之间的酯键，使肽链从核糖体上释放与肽链之间的酯键，使肽链从核糖体上释放出来。出来。RF、tRNA、mRNA与核糖体脱离，核糖与核糖体脱离，核糖体分解为大小两个亚基，重新进入核糖体循环。体分解为大小两个亚基，重新进入核糖体循环。515253