核糖体

核糖体的活性部位及其作用
rRNA的主要功能
①具有肽酰转移酶的活性. ②为tRNA提供结合位点(A位点、P位点和E位点). ③为多种蛋白质合成因子提供结合位点. ④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.
⑤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.
在蛋白质翻译起始阶段，30S亚基所有的 tRNA结合位点都被占据： 如A位点被IFl占据 P位点被起始tRNA占据 E位点被IF3占据。
其生物学意义可能与蛋白质合成的正确起 始有关。
真核细胞蛋白质翻译的起始与原核细胞差异： • 如真核细胞40S小亚基 识别mRNA结合位点 的机制不同，小亚基 首先识别mRNA 5’端 甲基化帽子，然后沿 着mRNA移动扫描， 直到第一个AUG的出 现为止。
三、核糖体蛋白质与rRNA的功能
核糖Biblioteka Baidu上与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点
①mRNA的结合位 点— mRNA与小亚 基结合。
原核生物：核糖体与mRNA 的结合位点位于16SrRNA 的3’端，位于起始密码子 上游5～10bp处（SD序 列——mRNA有一段特殊 的Shine-Dalgarno序列）。 真核生物：核糖体小亚基与 mRNA的结合依赖 mRNA5’端甲基化帽子结 构。
转位：即核糖体沿着 mRNA分子的5，→3，方 向移动3个核苷酸(一个 密码子)。 在转位过程中，携带二肽 的tRNA从A位点移位到 P位点，而没有携带任 何氨基酸的tRNA从P位 点移位到E位点。
原核细胞GTP结合的延伸 因子EF-G能促进移位过 程的发生(真核生物是延 伸因子eEF2)。
3.转位
关于r蛋白功能有多种推测
主要有： ①对rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要 的 ②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 ③在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中, r蛋白与rRNA共同行使功能
第二节 蛋白质的合成多与聚核糖体
• 蛋白质的合成
• 多聚核糖体
• RNA在生命起源中的地位
第一节
核糖体的类型与结构
• 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
一、核糖体的基本类型与成分
基本类型 附着核糖体:附着在内质网膜表面或原核细胞 的质膜内侧 (外运蛋白) 游离核糖体:分布在细胞质基质内(胞内蛋白)
- 结构与化学组成完全相同，但合成的蛋白种类不同
- 70S核糖体，原核细胞，线粒体和叶绿体(近似70S)
主要包括4个步骤： 氨酰-tRNA进入核糖体A位点的选择 肽键的形成 转位(translocation) 脱氨酰-tRNA的释放。
1.氨酰-tRNA进入核糖体A位点的选择
起始的tRNAiMet占据P位 点，核糖体接受第二 个氨酰-tRNA进入A位 点，这就是肽链延伸 的第一步。
为了有效地结合A位点， 第二个氨酰-tRNA必 须与有GTP的延伸因 子(elongation factor， EF)EF-Tu结合形成复 合物氨酰-tRNA· EFTu· GTP。
⑤肽酰tRNA从A位点转移 到P位点相关转移酶(即延 伸因子EF-G)的结合位点。
EF-Tu、EF-G 的一部分结合位 点位于A位点和P 位点的底部。
⑥肽酰转移酶的催化位点。 （跨过A 位点和P位点） ⑦蛋白质合成相关的其他 起始因子、延伸因子和 终止因子的结合位点 .。
EF-Tu-GTP的功能是与氨 酰-tRNA结合，将其带到A 位点
蛋白质合成分为三步： 起始(Initiation)包括核糖体与 mRNA 结合，形成起始复合物， 其中含有第一个氨酰-tRNA。 延伸(Elongation)包括从第一个肽 键形成到最后一个氨基酸掺入过 程中所有的反应。 终止(Termination)包括释放完整 的多肽链及核糖体与mRNA 分离。
5’-端加帽:成熟的真核生物mRNA的5’-端有m7GPPPN结构， 称为甲基鸟苷帽子。 它是在RNA三磷酸酶，mRNA鸟苷酰转移酶，mRNA（鸟嘌呤7）甲基转移酶和mRNA（核苷-2’）甲基转移酶催化形成的。
2．第一个氨酰-tRNA进入核糖体
当mRNA与小亚基结合后， 携带有甲酰甲硫氨酸的起 始tRNA(tRNAiMet)进入 核糖体P位点，通过反密 码子与mRNA中的AUG 识别，之后释放IF3。
2009年10月7日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣 布，三位科学家 “对核糖体结构和功能的研究” 而共同获得2009年诺贝尔化学奖。
获奖原因：破解蛋白质合成之谜
英国剑桥大学科学家 文卡特拉曼· 拉马克里 希南
美国科学家 托马斯· 施泰茨
以色列科学家 阿达· 约纳特因
一、蛋白质的合成
延 伸 延 伸
2．肽键的形成
• 当核糖体的P位点与A位点都有tRNA时，通过肽 键的生成将两个氨基酸结合起来。具体来讲，是 A位点氨酰-tRNA氨基酸的氨基与P位点tRNA上 氨基酸的羧基形成肽键。 这一反应由肽酰转移酶催 化，该酶是核糖体大亚基 rRNA，活性位点位于23 SrRNA结构域V的中央环。
形成第一个肽键时，A位点的tRNA分子一 端仍然与mRNA的密码子结合，另一端 与—个二肽结合。 此时，P位点的tRNA分子已经如释重负， 没有携带任何氨基酸。
- 80S核糖体，真核细胞
均由大小不同的两个亚单位(subunit)构成
• 70S核糖体，相对分子质量 2500×103，Mg2+浓度增加，形 成100S的二聚体，反之，离解 为50S与30S的大小亚单位
• 80S核糖体，相对分子质量 4200×103，Mg2+浓度增加，形 成120S的二聚体，反之，离解 为60S与40S的大小亚单位
• 大、小亚单位只在合成蛋白 质时才结合在一起——小亚 单位与mRNA结合，再与大 亚单位结合
蓝色为50S 亚基
紫色为30S 亚基
表面有三个tRNA的70S 核糖体 黄、深蓝和红色分别代表A、P 及E 位点
核糖体的结构——研究方法
• 核糖体的重组装 - 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进行重组装，显示其 结构关系 • 双向电泳技术可显示出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
②新掺入的氨酰-tRNA的 结合位点—氨酰基位点 (A位点)
主要在大亚基上，是接受氨酰 基-tRNA的部位
③延伸中的肽酰-tRNA的 结合位点—肽酰基位点 (P位点)
主要在小亚基上，是释放 tRNA的部位。
④肽酰转移后即将释放的 tRNA的结合位点—E位 点(exit site)
位于大亚基上，催化氨基酸间 形成肽键，使肽链延长。
每一步都需要不同的辅助因子参与，能量由 GTP 水解提供。
（一）肽链的起始
1.30S小亚基与mRNA的结合
蛋白质合成起始阶段，mRNA只能 够与细胞质基质中游离的核糖体30 S小亚基结合。
结合部位是mRNA的起始密码 子(initiation codon)AUG。
在细菌和真核生物中，起始tRNA携带的甲硫氨 酸残基在氨基端被甲酰化，构成一个N-甲酰甲硫 氨酸 tRNA 分子。这种 tRNA称为 tRNAf Met 。 这种氨酰-tRNA 的名字通常被缩写为fMettRNAf。
• 尽管任何形成复合物的 氨酰-tRNA都能够进入A 位点，但只有其反密码 子能与A位点的mRNA密 码子匹配的氨酰—tRNA 才能被核糖体牢牢捕捉 并定位在A位点，从而保 证正确识别 tRNA。 • 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，被另一个因 子 EF-Ts介导生成EFTu· GTP。
核糖体是一种不规则 颗粒状的结构，没 有被膜包裹，直径 25 nm - 表面：r蛋白，约 占40% - - 内部：rRNA，约 占60%
• 分布：几乎存在于 一切细胞内，仅发 现在哺乳动物成熟 的红细胞等极个别 高度分化的细胞内 没有核糖体，线粒 体和叶绿体中也含 有核糖体。 • 核糖体是细胞最基 本的不可缺少的结 构。
这种 tRNA 只用于起始蛋白质的合成。它识别的 密码子为 AUG 或 GUG(偶尔也识别UUG)。 这些密码子被识别的程度不同，若将 AUG 替换为 GUG，则起始的效率将会降低大约一半，若替 换为UUG，则效率将会在这个基础上又降低大 约一半。
• 由于mRNA内部仍然可能有密码子 AUG，那么30 S小亚基是如何准确识 别起始密码子AUG的呢? • 在细菌mRNA起始密码子AUG上游 5～10个碱基处有一段特殊的序列，即 SD序列。 • SD序列能与核糖体小亚基16SrRNA 3， 端的碱基序列互补结合，从而保证30S 小亚基能准确识别起始密码子AUG， 并结合到mRNA。 SD序列为： 5’…AGGAGG…3’ 16SrRNA 3，端与此互补的序列为： 3，…UCCUCC…5’
30S小亚基与mRNA的结合 需要起始因子(initiation factor，IF)的帮助。 这些起始因子仅位于30 S亚 基上。一旦30 S亚基与50 S 亚基结合形成70S核糖体后 便释放。 起始因子的主要作用：帮助 形成起始复合物。
原核细胞有3种起始因子： IF1、IF2和IF3。
30S-IFl复合体晶体结构显示：
RFl或RF2识别A位点的终止密码 子并促使肽酰转移酶催化水分子 添加到肽酰-tRNA上。这一过程 实际上与肽键形成类似，只不过 是水分子代替了氨基成为活化肽 酰基的受体。 这—反应使得多肽链末端的羧基游 离出来，肽链延伸终止形成完整 的蛋白链。 蛋白链随即脱离核糖体进入细胞质 基质，而核糖体也从mRNA上释 放下来，解离成30S和50S亚基。
IFl与30S亚基A位点结合，协助 30S亚基与mRNA的结合，防 止氨酰-tRNA错误进入核糖 体的A位点； IF2是一种GTP结合蛋白，协助 第一个氨酰-tRNA进入核糖 体； IF3能防止核糖体50S大亚基提 前与小亚基结合，并有助第 一个氨酰-tRNA进入核糖体， 在调节核糖体动态平衡以及 30S亚基与mRNA结合能力方 面发挥了重要作用。
二、核糖体的结构
rRNA:构成核糖体的核 心，决定其形态。
蛋白质:位于核糖体的
表面或填充
rRNA之间的空
隙，微调核糖
体的结构。
核糖体RNA（16S rRNA结构研究积累丰富资料）
• 16S rRNA的一级结构是非常保守的，某些序列是完全一致 的 • 16S rRNA的二级结构具有更高的保守性，尽管一级结构可 能不同，但都折叠成相似的二级结构——约含40个臂环结构 (stem-loop structure)，其 中46%的碱基 配对，双螺旋 区(臂)一般小 于8 bp。推测 有4个结构域 • rRNA臂环结构 的三级结构
4．脱氨酰-tRNA的释放
• 延伸反应的最后—步是脱 氨酰-tRNA离开核糖体E 位点。
• 一旦肽酰-tRNA通过转位 从A位点移位到P位点后， A位点再次接受下一个能 与mRNA第三个密码子匹 配的氨酰-tRNA，又开始 新的肽链延伸循环。
(三)肽链的终止
如果A位点mRNA是UAA、 UGA或UAG终止密码子 (termination codon或stop codon)， 由于没有与之匹配 的反密码子，氨酰-tRNA不能 结合到核 糖体上，于是蛋白 质合成终止。 释放因子(release factor，RF): RFl可识别UAA或UAG RF2识别UAA或UGA 催化蛋白质合成的终(termination)。
3．完整起始复合物的装配
• 一旦起始tRNA与AUG 密码子结合，核糖休大 亚基便与起始复合物结 合，形成完整的70S核 糖体——mRNA起始复 合物。 • 该过程伴随与IF2结合 的GTP水解，IFl、IF2 和IF3释放。
(二)肽链的延伸
—旦起始复合物形成，蛋白质合成随即开 始，这一过程称为肽链的延伸。
第10章
核糖体
• 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
1953年Robinsin等用电镜观察 植物细胞时发现了这种颗粒结 构 1955年Palade在动物细胞中也 观察到类似的结构 1958年Roberts建议把这种颗粒 结构命名为核糖核蛋白体，简 称核蛋白体或核糖体(ribosome)