细胞生物学11核糖体

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,*,第十一章 核糖体,(ribosome),核糖体,(ribosome),是核糖核蛋白体的简称，,是合成蛋白质的细胞元件，其唯一的功能就是按照,mRNA,的指令由氨基酸高效且精确地合成出多肽链。,第十一章 核糖体,(ribosome),核糖体的基本类型,多聚核糖体与蛋白质的合成,作业,第一节 核糖体的基本类型,类型与组成成分,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,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-protein:40%,，核糖体表面,rRNA,:60%,，核糖体内部,游离于细胞质还是附着于,ER,存在于原核细胞还是真核细胞,Free and membrane-bound,ribosomes,Comparison of ribosome structures,:,E.coli,70S(upper row in each panel,structure from 18,19)and yeast 80S(lower row in each panel),ribosomes,both limited to 35 resolution.(,AJ,)Rotational series,with a rotational increment around the vertical axis of 36.Scale bar 100.(,K,)Exploded views of,E.coli,and yeast,ribosomes,showing close correspondence of features of interface surfaces of ribosomal subunits,most notably the interface canyon(IC).CP,central protuberance;S,stalk;L1 or L1,L1 or L1 analog arm;h,head;g,neck groove;p,platform.Note that the lower right portion of the small subunit and the lower left portion of the large subunit are surfaces where the sectioning plane has cut a mass that is merged between the two subunits at this resolution.,(adapted from Nucleic Acids Research,1998,26(2):655-661),Comparison of Ribosomal Components between Prokaryotes and Eukaryotes,species,ribosome,subunit,rRNA,r-protein,bacterium,70S;,相对分子量：,2.510,6,;,66%RNA.,50S,23S=2904,bp,5S=120,bp,31,30S,16S=1542,bp,21,mammalian,80S;,相对分子量：,4.210,6,;,60%RNA.,60S,28S=4718,bp,5.8S=160,bp,5S=120,bp,49,40S,18S=1874,bp,33,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,50S,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,16S,rRNA,结构的研究,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,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。,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,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。,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,）,16S,rRNA,的一级结构是非常保守的；,16S,rRNA,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。,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,18S,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。,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所获得的种种结论。,提出直观、可靠而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、高度而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,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。,(a),Important Binding Sites on the Prokaryotic Ribosome,This model of ribosome structure shows the A(,aminoacyl,)and P(,peptidyl,)sites as cavities on the ribosome,where charged(amino acid-carrying),tRNA,molecules bind during polypeptide synthesis.The more recently,postulated E(exit)site is the site from which discharged,tRNAs,leave the ribosome.The mRNA-binding site,binds a particular nucleotide sequence near the 5 end of the mRNA,placing the mRNA in the proper position,for the translation of its first,codon,.,(a)The diagrammatic representation of a ribosome.The pair of horizontal dashed lines indicate where the,mRNA molecule lies.,(b)A more realistic representation.The binding sites are all located at or near the interface between the large,and small subunits.,(b),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,(proof reading),、,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 or,polysome,),蛋白质的合成,(synthesis of the protein),RNA,在生命起源中的,地位及其演化过程,一、多聚核糖体,(polyribosome or,polysome,),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。,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,Visualizing transcription and translation,(a),(b),Large,subunit,Small,subunit,mRNA,Large,subunit,Small,subunit,Completed,polypeptide,(a),(b),(c),Polyribosomes,(a)Schematic drawing of a,polyribsome,(,polysome,).,(b)Electron micrograph of a grazing section through the outer edge of a rough,ER,cisterna,.The,ribosomes,are aligned in loops and spirals,indicating their,attachment to mRNA molecules to form,polysomes,.,(c)Electron micrograph of metal-shadowed,polysome