核糖体(ribosome)

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第九章 核糖体,(,ribosome),核糖体的类型与结构,多聚核糖体与蛋白质的合成,第一节 核糖体的类型与结构,核糖体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。,核糖体的基本类型与成分,核糖体蛋白质与,rRNA,的功能分析,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,70,S,的,核糖体,80,S,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,二、核糖体的结构,结构与功能的分析方法,蛋白质合成过程中很多重要步骤,与50,S,核糖体大亚单位相关,结构与功能的分析方法,离子交换树脂可分离纯化各种,r,蛋白；,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,双向电泳技术可显示出,E.,coli,核糖体在装配各阶段中，,与,rRNA,结合的蛋白质的类型,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,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。,对,rRNA,，,特别是对16,S,rRNA,结构的研究,70,S,核糖体的小亚单位中,rRNA,与全部的,r,蛋白关系,的,空间模型,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。,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,16,SrRNA,的一级结构是非常保守的,16,SrRNA,的二级结构具有更高的保守性：,臂环结构,(,stem-loop structure),rRNA,臂环结构的三级结构模型,蛋白质合成过程中很多重要步骤与50,S,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。,二、核糖体蛋白质与,rRNA,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,在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究,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,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(,exit site),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,在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究,核糖体蛋白,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,核糖体蛋白,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对蛋白,质合成并没有表现出“全”或“无”的影响。,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。,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。,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,多聚核糖体(,polyribosome,或,polysome,),蛋白质的合成,RNA,在生命起源中的,地位及其演化过程,一、多聚核糖体 (,polyribosome,或,polysome,),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。,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。,三、,RNA,在生命起源中的,地位及其演化过程,生命是自我复制的体系,DNA,代替了,RNA,的遗传信息功能,蛋白质取代了绝大部分,RNA,酶的功能,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。,核酶,(,ribozyme,)：,具有催化作用的,RNA。,由,RNA,催化产生了蛋白质,DNA,代替了,RNA,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,RNA,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。,原核生物与真核生物核糖体成分的比较,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,Alberts et al，1989）,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）,核糖体小亚单位,rRNA,的二级结构,(,a),E.coli,16S rRNA；（,红色为高度保守区）,(,b),酵母菌18,S rRNA，,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。(,Darnell et al.，1990),L11-rRNA,复合物的三维结构,(引自,Porse et.al.,1999),1.在,mRNA,起始密码,AUG,上游有一6碱基核糖体结合序列与小亚单位16,S,rRNA,的,3,端碱基配对,使,mRNA,与30,S,小亚单位结合，接着甲酰胺甲硫氨酸,tRNA,的反密码子识别并与,mRNA,的,AUG,配对形成起始复合物。起始因子,GTP,2。50S,大亚单位与起始复合物中30,S,亚单位结合，形成70,S,完整核糖体与,mRNA,的起始复合物。,3。肽链的延伸,p312,