西华师范大学细胞生物学课件总结

第六章核糖体与核酶教学目的1、掌握真核细胞和原核细胞核糖体的化学组成；2、掌握核糖体rRNA基因的转录与加工、核糖体的装配；3、掌握核酶的发现。

教学内容本章分4节讨论了核糖体和核酶：1．核糖体的形态结构2．核糖体的生物发生3．核糖体的功能—蛋白质的合成4．反义RNA与核酶计划学时及安排本章计划3学时。

教学重点和难点核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒，其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链，所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。

1．关于核糖体的形态结构，主要学习掌握真核细胞和原核细胞核糖体的化学组成、细菌核糖体的结构模型。

2．核糖体的生物发生是本章的重点内容之一。

主要是掌握核糖体rRNA 基因的转录与加工、核糖体的装配。

3．核糖体的蛋白质合成作用，仅作一般介绍。

但与细胞生物学关系密切的两个内容应特别注意：多聚核糖体在细胞生命活动中的意义、通过嘌呤霉素的抑制实验揭示A位点和P位点是两个独立的位点。

4. 反义RNA与核酶是本章的另一个重点。

由于核酶的发现在分子生物学中具有重要意义, 需要重点掌握。

特别是核酶的发现过程及证实、核酶与内含子剪接的关系、核酶的应用尤为重要。

此节还简要讨论了RNA编辑, 这也是分子生物学中的一个重要研究课题。

从细胞生物学的角度考虑，核糖体在细胞的遗传信息流中起信息转换作用；在生物化学中，将核糖体看成是蛋白质合成的工厂，这就是核糖体在两个不同学科中的定位。

教学方法讲授法，自学教学过程6．核糖体和核酶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。

◆概述☆最早是Albert Claude于20世纪30年代后期发现的。

☆核糖体(ribosome)，是细胞内一种核糖核蛋白颗粒。

☆核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。

6.1 核糖体的形态结构6.1.1类型与化学组成■ 核糖体的类型核糖核蛋白体，简称核糖体(ribosome)。

⒈基本类型● 按存在的部位（三种）：☆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（两种）：☆真核生物核糖体☆原核生物核糖体● 按存在的方式（两种）：◆附着核糖体◆游离核糖体⒉主要成分◆r蛋白质：40%，核糖体表面◆rRNA：60%，核糖体内部● Mg2+ 的浓度对于大小亚基的聚合和解离有很大的影响。

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(图)。

■ 核糖体的化学组成核糖体的大小两个亚基都是由核糖体RNAs(rRNAs)和核糖体蛋白(ribosomal proteins)组成的，原核生物和真核生物细胞质核糖体的大小亚基在蛋白质和RNA的组成上都有较大的差别（图）。

6.1.2 核糖体蛋白质与rRNA■ 核糖体蛋白E.coli核糖体小亚基：21种蛋白质，命名为S1～S21；大亚基：34种蛋白质，命名为L1～L33。

■ 核糖体rRNAHarry Holler测定了E.coli 16S rRNA序列，一共有1542个核苷酸。

通过计算机分析，发现不同生物来源的16S rRNA的序列组成具有进化上的保守性。

6.1.3 细菌核糖体的结构模型模型中蛋白质的定位是根据不同来源的资料分析综合后确定的，如S4、S5、S8和S12等四个蛋白定位在核糖体的小亚基上，并且是背向大亚基，就是根据四种不同方法获得的资料，比较分析后确定的。

（图）6.2 核糖体的生物发生(biogenesis)核糖体的合成和装配过程相当复杂。

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、核糖体亚基的组装等。

6.2.1 核糖体rRNA基因的转录与加工■ 编码rRNA基因的过量扩增细胞为了满足大量需求的rRNA，通过两种方式扩大rRNA基因的拷贝数：● 在染色体上增加rRNA基因的拷贝数，如在细菌E.coli的基因组中有七套rRNA基因，而典型的真核生物细胞含有几百到几千个28S、18S和5.8S rRNA基因的拷贝，5S rRNA基因的拷贝数多达50000个。

● 通过基因扩增(gene amplification)。

科学家用两栖类的卵细胞(卵母细胞)研究在发育过程中rRNA基因的扩增。

发现两栖类卵母细胞在发育的早期，rRNA基因的数量扩增到1000多倍(图)。

■ 真核生物18S、5.8S、28S rRNA和5SrRNA基因■ 18S、5.8S、28S rRNA基因转录与加工（图）■ 真核生物前体rRNA的修饰● 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)。

■ 原核生物rRNA基因及转录①基因的重复次数少，例如E.coli，只重复了7次。

②真核生物编码5S rRNA的基因位于不同的染色体上，而细菌的5S rRNA基因与另外两种rRNA基因组成一个转录单位，它们在染色体上的排列顺序是∶16S-23S-5S。

6.2.2 核糖体的装配核糖体是自我装配的细胞器，当蛋白质和rRNA合成加工成熟之后就要开始装配核糖体的大小两个亚基，真核生物核糖体亚基的装配地点在细胞核的核仁部位，原核生物核糖体亚基的装配则在细胞质中。

■ 核糖体亚基的自我装配● 自组装(self-assembly)：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，即组装过程有先后层次(图6-13)。

6.3 核糖体的功能-蛋白质的合成☆蛋白质合成，或称mRNA翻译是细胞中最复杂的合成活动。

☆蛋白质的合成需要携带氨基酸的各种tRNA、核糖体、mRNA、不同功能的蛋白质、阳离子、GTP等的参与。

☆蛋白质的合成，是三种不同类型的RNA通力合作的结果。

6.3.1 核糖体的功能位点原核生物核糖体中有四种与RNA分子结合的位点，其中一个是与mRNA结合的位点，另三个是与tRNA结合的位点(图)。

6.3.2 蛋白质合成的基本过程蛋白质的合成，是三种不同类型的RNA通力合作的结果(图)。

蛋白质合成的三个主要过程：①链的起始②链的延伸③链的终止■ 蛋白质合成的起始①30S亚基与mRNA的结合③完整起始复合物的装配②第一个aa-tRNA进入核糖体■ 多肽链的延伸(elongation)①氨酰tRNA进入核糖体的A位点；②肽键形成；③转位;④脱氨酰tRNA释放。

■ 终止(termination)蛋白质合成的终止是指核糖体沿着mRNA移动，如果进入A位的是终止密码子，由于没有与之匹配的反密码子，而终止蛋白质的合成。

一共有三种终止密码子:UAA、UAG、UGA。

6.3.3 多聚核糖体与蛋白质的合成(Polyribosome and protein synthesize)⒈概念概念：在蛋白质合成过程中，同一条mRNA分子能够同多个核糖体结合，同时合成若干条蛋白质多肽链，结合在同一条mRNA上的核糖体就称为多聚核糖体(polysome 或polyribosomes ）。

⒉多聚核糖体的发现● 多聚核糖体的形成☆在mRNA的起始密码子部位，核糖体亚基装配成完整的起始复合物，然后向mRNA的3＇端移动，直到到达终止密码子处。

☆多聚核糖体中，每个核糖体间相隔约80个核苷酸。

3. 多聚核糖体的生物学意义同一条mRNA被多个核糖体同时翻译成蛋白质，大大提高了蛋白质合成的速率，重要的是减轻了细胞核的负荷，减少了基因的拷贝数，也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力。

6.3.4 蛋白质合成抑制剂☆抗生素如氯霉素、链霉素等。

☆嘌呤霉素6.3.5蛋白质的寿命与降解■ 蛋白质的寿命信号N-端规则(N-end rule)：每一种蛋白质都有寿命特征，称为半衰期(half-life)。

研究发现多肽链N-端特异的氨基酸与半衰期相关，称为N-端规则。

■ 蛋白酶体对蛋白质的降解蛋白酶体对蛋白质的降解通过泛素(ubiquitin)介导，故称为泛素降解途径。

6.4 反义RNA与核酶(ribozyme)50S核糖体中的23S rRNA具有肽酰转移酶的功能。

将具有酶功能的RNA称为核酶。

6.4.1 小分子RNA与反义RNA真核生物中，除了mRNA，rRNA和tRNA外，细胞核和细胞质中含有许多其它类型的小分子RNA(small RNA)，虽然它们的相对分子质量很小，但却有非常重要的作用。

■ 小分子RNA的类型主要有两种类型的小分子RNA:一类是snRNA(small nuclear RNA),存在于细胞核中；另一类是scRNA(small cytoplasmic RNA)，存在于细胞质中。

■ 反义RNA与蛋白质合成的抑制● 概念: 反义RNA(antisense RNA)是指与mRNA互补的RNA分子, 也包括与其它RNA互补的RNA分子。

● 类型原核细胞中发现的反义RNA，根据其作用方式分为三类: I类、Ⅱ类、Ⅲ类。

I类反义RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和/或编码区，引起翻译的直接抑制(1A类); 或与靶mRNA结合后引起该双链RNA分子对RNA 酶Ⅲ的敏感性增加，使其降解(1B类)。

Ⅱ类反义RNA 与mRNA的SD序列的上游非编码区结合，从而抑制靶mRNA的翻译功能，其作用机理尚不清楚。

Ⅲ类反义RNA可直接抑制靶mRNA的转录。

如ticRNA(transcriptioninhibitory complementary RNA)。

6.4.2 核酶(ribozyme)核酶一词用于描述具有催化活性的RNA，即化学本质是核糖核酸(RNA)，却具有酶的催化功能。

■ 核酶的发现● 内含子(intron) 内含子是基因内的间隔序列，它不出现在成熟的RNA分子中，也就是说在转录后要通过加工被切除。

● 外显子(exon) 最后出现在成熟RNA中的基因序列。

● 核酶的发现：1981年，Thomas Cech和他的同事在研究四膜虫的26S rRNA前体加工去除基因内含子时获得一个惊奇的发现∶内含子的切除反应发生在仅含有核苷酸和纯化的26S rRNA前体而不含有任何蛋白质催化剂的溶液中，可能的解释只能是:内含子切除是由26S rRNA前体自身催化的，而不是蛋白质。

● 核酶的证实：为了证明这一发现，他们将编码26S rRNA前体DNA 克隆到细菌中并在无细胞系统中转录成26S rRNA前体分子。

结果发现这种人工制备的26S rRNA前体分子在没有任何蛋白质催化剂存在的情况下，切除了前体分子中的内含子。

这种现象称为自我剪接(self-splicing)，这是人类第一次发现RNA具有催化化学反应的活性，具有这种催化活性的RNA称为核酶。