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Chapter 6 核糖体与核酶
6.1核糖体的形态结构
核糖体(ribosome)是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein partical)，是细胞内合成蛋白质的细胞器。

细胞内数量最多的细胞器。

在大肠杆菌中有几万个，占细胞干重的40%，在真核细胞中可达几十万甚至几百万个。

核糖体的主要成分是核糖体RNA(rRNA), 占60%, 蛋白质(r蛋白质), 占40%。

6.1.1 核糖体的类型
按存在部位分：
细胞质核糖体：游离核糖体和附着核糖体
细胞器核糖体：线粒体核糖体和叶绿体核糖体。

按生物类型分两种：
原核细胞的核糖体：沉降系数为70S，分子量为2.5x103KDa，由50S和30S 两个亚基组成。

真核细胞的核糖体：沉降系数是80S，分子量为3.9-4.5x103KDa，由60S和40S两个亚基组成。

6.2 核糖体的生物发生(Biogenesis)
在细胞内，核糖体是自我装配的。

真核细胞和原核细胞的核糖体合成和装配过程各不相同。

核糖体的生物发生包括蛋白质和rRNA的合成、核糖体亚基的组装。

6.2.1 核糖体基因
1. rRNA基因的扩增
在染色体上增加rRNA基因的拷贝数：细菌的E.coli的基因组中有七套rRNA 基因；典型的真核生物细胞含有几百到几千个18S、 5.8S和28S rRNA基因的拷贝，5S rRNA基因的拷贝数多达50,000个。

2. rRNA基因的选择性扩增
①两栖类卵母细胞rRNA基因扩增
基因扩增是通过形成几千个核进行的，每个核里含有几百拷贝的编码18S、5.8S和28S的rRNA基因，最后卵母细胞中的这些rRNA基因的拷贝数几乎达到50万个。

②卵母细胞中rRNA基因扩增机制
滚环复制(rolling circle replication)
卵母细胞中rRNA基因扩增的机制，有人认为归因于从染色体上分离出来的环状DNA分子，这种环状DNA中含有rRNA基因。

由于环状DNA能够通过滚环复制的方式进行复制，因而能够产生大量的rRNA基因。

3. 18S、5.8S和28S rRNA基因的转录和加工
①组织：真核生物18S、5.8S和28S rRNA基因为一组串联在一起，5S的rRNA基因则位于另一条染色体上。

②转录
人、老鼠等前rRNA为45S；不同种的生物，前rRNA的长度范围在34S～45S之间；在转录单位中除了三个rRNA基因外，还包括一些间隔区；真核生物中，RNA聚合酶I参与这三个rRNA基因的转录；
③前体rRNA的加工与修饰：
前体rRNA有两个独特的特点：一是含有大量的甲基化的核苷,另一个就是具有很多假尿苷(pseudouridine)。

在前体rRNA加工过程中，rRNA的甲基化可能起指导作用。

5S rRNA的合成和加工：真核生物的5S rRNA基因与其他三种rRNA基因不在同一条染色体上，它是由核仁以外的染色体基因转录的，然后运输到核仁内参与核糖体的装配。

5S rRNA基因是由RNA聚合酶Ⅲ转录的，内部启动。

5S rRNA 只需要进行简单的加工，或者根本不需要进行加工。

原核生物rRNA基因
原核与真核生物的rRNA基因在组织结构上的差异。

重复频率低：如E.coli，只重复了7次；细菌的5S rRNA与16SrRNA 、23S rRNA基因组成一个转录单位，在染色体上的排列顺序是：16S-23S-5S。

核酸酶RNaseⅢ将16S-23S-5S rRNA 前体切割成单体；细菌中的rRNA转录单位除了三种rRNA外，同时有几种tRNA 分子。

6.2.2 核糖体的装配
1. 原核生物核糖体的装配
小亚基的rRNA和蛋白质的装配关系：组成核糖体的蛋白质和rRNA在大小亚基中均有一定的空间排布。

核糖体在组装过程中,某些蛋白质必须首先结合到rRNA上，其他蛋白才能组装上去，即表现出先后层次。

根据同rRNA结合的顺序，将核糖体蛋白分为两种：
①初级结合蛋白(primary binding protein)
这些蛋白质直接同rRNA结合, 其中同16S rRNA结合的初级蛋白有14种, 它们是: S3, S4, S17, S20, S6, S15, S8, S18, S9, S11, S12, S13, S7, S1。

同5S rRNA结合的有11种。

②次级结合蛋白(secondary binding protein)
这些蛋白质不直接同rRNA结合, 而是同初级结合蛋结合。

它们是: S10, S16, S2, S6, S21, S14, S19。

2. 真核生物核糖体装配模型
①80S前体颗粒形成
45S rRNA+5S rRNA+蛋白质
45S rRNA 到41S rRNA
②大小亚基前体形成:
大:32S rRNA和5S rRNA 小:20S的前体rRNA；
③小亚基成熟与运送:
20S rRNA到18S rRNA
④大亚基成熟与运送
32S rRNA到28S rRNA+5.8S rRNA
6.3 核糖体的功能
1. 核糖体的RNA结合位点
2. 与mRNA结合的位点：SD序列
3. 蛋白质合成中各位点的协同性
4. 多聚核糖体(polysome)
6.4 Ribozyme and Antisense RNA
1. 核酶(ribozyme)
2. 反义RNA(Antisense RNA)
6.4.1 真核细胞中的小分子RNA(small RNA)
大小：100～300 bases。

由RNA聚合酶Ⅱ或RNA聚合酶Ⅲ所合。

某些像mRNA一样可被加帽。

类别:scRNA(small cytoplasmic RNA)和snRNA(small nuclear RNA)。

snRNPs(small nuclear ribonucleoproteins)颗粒，核小核糖核蛋白；一个snRNA，～10个蛋白质；有些蛋白质是某一snRNP所特有，有些则是各种snRNP 所共有。

snRNPs分类：由于snRNA富含脲嘧啶核苷，分类时把它分为U1、U2、……等。

6.4.2 Antisense RNA
反义RNA分类
◆I类：直接作用于其靶mRNA的SD序列和/或编码区；Ⅱ类：与mRNA
的SD序列的上游非编码区结合，从而抑制靶mRNA的翻译；III类：直接抑制靶mRNA转录的RNA。

6.4.3 核酶Ribozyme
具有催化活性的RNA，化学本质是核糖核酸(RNA)，却具有酶的催化功能。

与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，是一种较为原始的催化酶。

1. 几个基本概念
①间隔序列(space sequence) ：编码基因间的序列。

②内含子(intron)：基因内的间隔序列。

③外显子(exon)：成熟RNA中的基因序列。

2. 核酶的发现
1980s，Thomas Cech等在研究四膜虫的26SrRNA前体加工时发现：26S rRNA前体可进行自剪切(self- splicing)。

3. 核酶的类型
根据核酶的结构和催化反应可分为3种类型：
①RNA和蛋白质复合物：催化切割tRNA
核糖核酸酶P (ribonuclease P)，是一种核糖核蛋白, 含有一个单链RNA 分子(长为375个核苷)和一个分子量为20kDa的多肽。

②具有催化活性的小分子RNA
③Ⅰ、Ⅱ型内含子
4. 特点：都涉及磷酸二酯键的切割或连接，底物是RNA 。

5. 核酶的作用机制
①核剪接(nuclear splicing)：剪接发生在细胞核中，从pre-mRNA中切除内含子，加工成熟的mRNA被运送到细胞质。

3个主要特点：在pre-mRNA中内含子与外显子间有特征性序列，即GU-AG 规则；需要snRNA参与，形成剪接体；形成套索结构。

剪接体（Spliceosomes）：在剪接过程中形成的剪接复合物称为剪接体；主要组成：蛋白质与小分子的核RNA (snRNA)，包括U1, U2, U4, U5, U6。

GU-AG 规则；前体RNA中参与内含子剪接的两个特殊位点，即在内含子和外显子交界处有两个相当短的保守序列: 5＇端为GT，3＇端为AG，
②I 组内含子剪接
结构特点：内含子转录后可以形成9个由碱基配对形成的特定二级结构, 分别命名为P1至P9, P1和P7是保守的。

需要游离的鸟苷。

存在的细胞器：核、线粒体、叶绿体。

基因:前体rRNA、mRNA和tRNA
③Group II intron splicing
结构特点：内含子转录后可以形成6个发夹环。

附合GU-AG规则；不需snRNA参与，不形成剪接体；形成套索；存在的细胞器:线粒体、叶绿体；基因：前体mRNA。