细胞生物学[第十一章核糖体]课程预习

第十一章核糖体

核糖体(ribosome)又称核蛋白体或核糖核蛋白体。它是所有细胞必定具备的一种细胞器。原核细胞比较原始，没有其他的细胞器，但是必须具有核糖体，因为核糖体是合成蛋白质的场所，是细胞中合成蛋白质的细胞器。

一、核糖体的类型与结构

(一)核糖体的基本类型与化学组成

核糖体几乎存在于一切细胞内，不论是原核细胞，还是真核细胞，均含有大量的核糖体。核糖体是一种颗粒状的结构，没有被膜包裹，主要成分是蛋白质与RNA，核糖体RNA称为rRNA(约60％，主要位于内部)，蛋白质称为r蛋白(约占40％，主要分布在核糖体的表面)，二者以非共价键形式结合在一起。

生物有机体细胞内有两种基本类型的核糖体：一种是70S(S为Sverdberg沉降系数单位)的核糖体，其相对分子量为2．5×106，原核细胞的核糖体为70S，真核细胞线粒体与叶绿体内的核糖体也近似于70S；另一种是80S的核糖体，相对分子量为4．8×106，真核细胞的核糖体(除线粒体与叶绿体核糖体外)均为80S。不论70S或80S的核糖体，均由大小不同的两个亚单位(subunit)构成。

核糖体大小亚单位在细胞内常常游离于细胞质基质中，只有当小亚单位与mRNA结合后大亚单位才与小亚单位结合形成完整的核糖体。肽链合成终止后，大小亚单位解离，又游离存在于细胞质基质中。

(二)核糖体的结构

核糖体是核糖体RNA(rRNA)和核糖体蛋白(r蛋白)复合物，分子量又大，因此它的空间结构相当复杂。目前对于核糖体三维精细结构的研究仍然在继续中。

(三)核糖体蛋白质与rRNA的功能

核糖体中更关键的部分是rRNA，它是蛋白质合成的催化机器，而核糖体蛋白更多地是作为一种骨架帮助rRNA维持正确的构想，以及在蛋白质合成中起微

调作用。

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：

(1)与mRNA的结合位点。

(2)与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点——氨酰基位点，又称A位点。

(3)与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点——肽酰基位点，又称P位点。

(4)肽酰转移后与即将释放的tRNA的结合位点——E位点(exit site)。

(5)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。

(6)肽酰转移酶的催化位点。

此外还有与蛋白质合成有关的其他起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点。

二、多聚核糖体与蛋白质合成

(一)多聚核糖体

核糖体(polyribosome或polysome)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：

(1)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。

(2)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。

(二)蛋白质的合成

蛋白质合成的过程是以核糖体为基地并被其催化完成的。以原核细胞为例，肽链合成的基本环节与主要步骤如下：

(1)在mRNA起始密码AUG上游有长达6个碱基的核糖体结合序列可与核糖体小亚单位中的16s rRNA的3’端碱基配对，使mRNA与30S的核糖体小亚单位结合，接着甲酰甲硫氨酸-tRNA的反密码子识别并与mRNA的AUG配对形成起始复合物。

形成起始复合物还需要GTP和三种蛋白起始因子即IF1、IF2和IF3。IF3参与mRNA同30S小亚单位的结合并阻止50S大亚单位与30S小亚单位结合。起始因子IF1和IF2促使tRNA结合到mRNA的30S小亚单位复合物上。

(2)50S的核糖体亚单位与起始复合物中的30S亚单位结合，形成70S的完整的核糖体与mRNA的起始复合物。GTP水解，IF1、IF2和IF3释放，甲酰甲硫氨酸分子占据核糖体的P位点(肽酰位)并通过其反密码子和mRNA上的起始密码配对，确定读码框架。

(3)肽链延伸主要包括三个步骤：

1)氨酰-tRNA与延伸因子EF-Tu和GTP形成的复合物相结合。

2)延伸因子EF-Tu将氨酰-tRNA安置到A位点，由mRNA上的密码子决定氨酰-tRNA的种类，到位后，结合在EF-Tu上的GTP水解，EF-Tu连同结合在一起的GDP离开核糖体。EF-Tu不与甲酰甲硫氨酸反应，因此起始的tRNA不能送到A 位，而甲硫氨酸-tRNA和其他的氨酰-tRNA都可与EF-Tu结合，这就解释了为什么中间的AUG不能被起始的tRNA识读。

3)肽链生成与移位，由肽酰转移酶催化形成二肽酰-RNA，移位需要第三个延伸因子EF-G (移位酶)及结合在EF-G上的GTP水解。肽酰-tRNA从A位转移到P 位，mRNA移动3个核苷酸的距离。原P位点无负载的tRNA移到E位点后脱落，A位点空出。肽链以同样的方式不断延伸。

(4)蛋白质合成的终止。

如A位是UAA、UGA、UAG，氨基酰-tRNA通常不能结合到核糖体上，释放因子RF-1可识别UAA或UAG，RF-2识别UAA或UGA。A位点的终止密码与释放因子结合，活化肽链转移酶，水解P位点的多肽与tRNA之间的连键，水代替了氨基成为活化肽酰基的受体，多肽脱离核糖体，核糖体随即离解成30S和50S亚单位。

真核细胞中核糖体小亚单位与mRNA 5’一端的cap识别并结合在一起，然后沿mRNA移动直至遇到起始密码AUG，其蛋白质合成与原核细胞的基本相同。

(三)RNA与生命起源

“RNA世界”假说：该假说认为RNA是生命起源中最早的大分子。生命是自我复制的体系，而三种生物大分子，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。直至现在，仍然有很多RNA具有催化功能，具有催化作用的RNA又称为核酶(ribosome)。

生命进化后期DNA代替了RNA作为遗传信息载体的原因是：①DNA双链比RNA 单链稳定；②DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧啶，使之易于修复。

而蛋白质也取代了绝大部分RNA酶的功能，这是因为：①蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；②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。