第九章 核糖体(ribosome)

DNA代替了RNA的遗传信息功能
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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
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蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；
第九章 核糖体
RIBOSOME
第九章
核糖体(ribosome)
核糖体是合成蛋白质的细胞器；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。
核糖体的类型与结构 多聚核糖体与蛋白质的合成 反义RNA与核酶
第一节
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核糖体的类型与结构
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的匀浆物时发现的，当时称为微体(Microsomes)，直到1950s中期， George Palade在电子显微镜下观察到这种颗粒的存在。并进一步 研究发现多种生物的细胞质中有类似的颗粒存在，尤其在进行蛋 白质合成的细胞中特别多； Philip Siekevitz用亚细胞组份分离技术分离了这种颗粒，并发现 这些颗粒总是伴随内质网微粒体一起沉积。化学分析揭示，这种 微粒富含核苷酸，随之命名为ribosome，主要成分是核糖体 RNA(rRNA)， 约占60%、蛋白质(r蛋白质)约占40%。 核糖体的蛋白质合成功能是通过放射性标记实验发现的。将细胞 与放射性标记的氨基酸短暂接触后进行匀浆，然后分级分离，发 现在微粒体部分有大量新合成的放射性标记的蛋白质。后将微粒 体部分进一步分离，得到核糖体和膜微粒，这一实验结果表明核 糖体与蛋白质合成有关。 两个关键技术是亚细胞组份分离技术和放射性标记技术。
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
核糖体的结构
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
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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 70S的核糖体 80S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 发现核糖体的两个关键技术
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16SrRNA的一级结构是非常保守的
16SrRNA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50S核糖体大亚单位相关
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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）
核糖体蛋白 通过电泳和层析等技术，已经鉴定了E.coli核糖体小亚基的21种蛋白质和 大亚基的34种蛋白质。小亚基的蛋白分别命名为S1～S21，大亚基的核糖 体蛋白命名为L1～L33。核糖体中的蛋白质除了一种具有四个拷贝外，其 余都是一个拷贝。图示为E.coli小亚基21种蛋白质的排列。
核糖体RNAs
28S，5.8S，5S 18S， 23S，5S 16S 16S 12S 21S 14S 26S，5S 18S 23S，5S 16S
原核生物与真核生物核糖体成分的比较
典型的原核细胞和真核细胞质核糖体的化学组成
发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术
核糖体最早是Albert Claude于1930s后期用暗视野显微镜观察细胞
不同类型核糖体的大小比较
来源
细胞质 (真核生物) 细胞质 (原核生物) 线粒体 (哺乳动物) 线粒体 (酵母) 线粒体 (高等植物) 叶绿体 70S 78S 75S 55-60S 70S
完整核糖体
80S
核糖体亚基
60S(大亚基) 40S(小亚基) 50S(大亚基) 30S(小亚基) 45S(大亚基) 35S(小亚基) 53S(大亚基) 35S(小亚基) 60S(大亚基) 45S(小亚基) 50S(大亚基) 30S(小亚基)
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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
蛋白质合成的起始(initiation)、多肽链的延伸(elongation)、终止 (termination)
RNA在生命起源中的地位及其演化过程
一、多聚核糖体 细 胞 生 物 学
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 细 胞 生 物 学
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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
从两个不同角度观察的E.coli 核糖体的三维结构
Mg2+ 的浓度对于大 小亚基的聚合和解离 有很大的影响， 体 外实验表明:70S核糖 体在Mg2+的浓度小 于1mmol/L的溶液中 易解离； 当Mg2+浓度大于 10mmol/L， 两个核 糖体通常形成100S的 二聚体； 在低浓度的Mg2时， 完整的核糖体将分成 大小两个亚基。
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。
核糖体的类型 ● 按存在的部位:有三种类型核糖体，细胞质核糖体、线粒体核糖体、 叶绿体核糖体。 ● 按存在的生物类型: 分为两种类型，即真核生物核糖体和原核生物核 糖体。原核细胞的核糖体较小， 沉降系数为70S，相对分子质量为 2.5x103 kDa，由50S和30S两个亚基组成；而真核细胞的核糖体体积较 大， 沉降系数是80S，相对分子质量为3.9～4.5x103 kDa， 由60S和40S 两个亚基组成。
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。
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(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
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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
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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(ribosome)：具有催化作用的RNA。 由RNA催化产生了蛋白质
E.coli 核糖体结构模型
E.coli 小亚基的装配图 粗箭头表示结合力强，细箭头表示力弱。如S4与16S rRNA 之间是粗箭头，表示S4可直接与16S rRNA结合而不需要其 他蛋白的存在。而S7与16S rRNA的结合力很弱，并且需要 S4、S8、S9、S19、S20蛋白的存在。
核糖体的重组装是自我装配过程
二十世纪六十年代初期Robert Perry用紫外微光束破坏活细胞的核仁， 发现破坏了核仁的细胞丧失合成rRNA的能力，这一发现提示核仁与核 糖体的形成有关。后来Perry又发现低浓度的放线菌素D能够抑制3H-尿 嘧啶掺入rRNA中，而不影响其他种类的RNA合成。显微放射自显影也 显示放线菌素D能够选择性阻止核仁RNA的合成，表明核仁与rRNA的 合成有关。
三、核糖体蛋白质与rRNA的功能分析
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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 细 胞 生 物 学
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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
在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分
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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。
二、核糖体的结构
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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
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生 物 与 食 品 工 程 学 院 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
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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。
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蛋白质结合到rRNA上具有先后层次性。
在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
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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
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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。
r蛋白质的主要功能
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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
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