第十二章 核糖体
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第十二章 核糖体
核糖体是一种核糖核蛋白颗粒（rebonucleoprotein particle）， 是细胞内合 成蛋白质的细胞器，其功能是按照mRNA的信息将氨基酸高效精确地合成 多肽链。
- 1953年E. Robinson 和R.Brown观察到植物细胞中的核糖体，1955年GE Palade观察到动 物细胞中的核糖体。 - 几乎存在于一切细胞中（原核细胞和真核细胞），极个别高度分化细胞没有 - 是一种不规则的颗粒状结构，没有生物膜包裹 - 直径为25~30nm，主要成分是RNA和蛋白质 - 核糖体RNA称为rRNA (2/3) ，蛋白质称r蛋白质(1/3),两者靠非共价键结合在一起 - rRNA对控制翻译精确性、tRNAs选择、蛋白因子结合、肽键的形成等发挥主要作用 - 附着核糖体（粗面内质网） 游离核糖体 - 常分布在细胞内蛋白质合成 旺盛的区域，其数量与蛋白 质合成程度有关 -核糖体的实质是核酶 （具有催化活性的RNA分子）
13
（三）肽链的终止
如A位点 mRNA是UAA、UGA或UAG终止密码子，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，蛋白质合成终止。
释放因子（RF） 识别终止密码子，催化蛋白质合成的终止（促使肽酰转移酶催化水 分子添加到肽酰-tRNA上。
14
四环素
链霉素
氯霉素
环己酰亚胺
利福霉素
4
rRNA
- 一级结构在进化上非常保守； - 16 S rRNA的二级结构具有更高的保守性，都折叠成相似的二级结构， 即由多个茎环（stem-loop structure）所组成的结构，分四个结构域； - 三级结构的稳定涉及多种作用力（rRNA螺旋间的相互作用以及腺嘌呤插入螺旋小沟 的作用力等），在形成三级结构后，16s RNA每一个大的结构域都对应小亚基的一个 形态部位,而23S rRNA的6个结构域在50S 大亚基中是相互交织在一起的，形成一 个“集成”结构。
目前关于r蛋白的功能有多种推测，主要有： 核糖体主要活性部位示意图 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，核糖体的空间构象发生一系列的变化，某些r蛋白可能对核糖体 的构象起“微调”作用。 6
第二节 多核糖体与蛋白质的合成
一、多核糖体
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联在 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的聚合体称为多核糖体（polyribosome或polysome）。 - 每种多核糖体所包含的核糖体数量是由mRNA的长度来决定的。 - 真核细胞中每个核糖体每秒能将两个氨基酸残基加到多肽链上，细菌细胞中可将20个 氨基酸加到多肽链上，合成一条完整的多肽链平均需要20s至几分钟 - 以多核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其数量的调控更为经济和有效 - 原核细胞中，在mRNA合成的同时，核糖体就结合到mRNA上，即DNA转录成mRNA和 mRNA翻译成蛋白质这两个生命活动是同时并几乎在同一部位进行的 - 真核细胞中，多核糖体或附着在内质网上，或游离在细胞质基质中。
15
三、核糖体与RNA世界
（一）核糖体的本质是核酶
（二）RNA世界与生命起源 20世纪80年代 W. Gilbert 先有核酸，还是先有蛋白质？ 最早出现的生物大分子可能是 RNA， 兼具了遗传（DNA）与催化（蛋白质）的功能。——RNA world
16
1
第一节 核糖体的类型与结构
一、核糖体的基本类型与化学组成
原核细胞核糖体
真核细胞核糖体 70S （50S + 30S） MW 2.5x106 80S （60S + 40S） MW 4.2x106 线粒体自身核糖体 ≈ 70S 真核细胞核糖体的组成
Байду номын сангаас
核糖体大小亚基常游离于细胞质基质中，只有当小亚基与mRNA结合后大亚基才与小 2 亚基结合形成完整的核糖体。肽链合成终止后，大小亚基解离，由游离于细胞质基质中。
Simultaneous transcription & translation of a prokaryotic DNA
7
多核糖体翻译蛋白质
8
二、蛋白质的合成
蛋白质合成是细胞中最复杂、最精确的生命活动之一，需要各种携带氨基 酸的tRNA、核糖体、mRNA、多种蛋白质因子、阳离子及GTP等的参与。 在蛋白质合成过程中，有3个关键问题： ① 如何催化肽键形成？ ② 如何识别正确的tRNA？ ③ tRNA和mRNA如何通过核糖体的活性位点？
二、核糖体的结构
3
对核糖体高分辨率的X射线衍射图谱分析表明： ① 每个核糖体含有4个RNA分子的结合位点，其中1个位点供mRNA结合，3个位 点供tRNA分子结合，分别为A位点、P位点和E位点，这些位点横跨核糖体大 小亚基结合面。 ② 在核糖体大小亚基结合面，特别是mRNA和tRNA结合处，无核糖体蛋白分布 ③ 催化肽键形成的活性位点由RNA组成 ④ 大多数核糖体蛋白有一个球形结构域和伸展的尾部，球形结构域分布于核 糖体表面，而其伸展的多肽链尾部则伸入核糖体内折叠的rRNA分子中。许 多核糖体蛋白与RNA具有多个结合位点，发挥稳定rRNA三级结构的作用
tRNA是连接氨基酸和密码子的分子接头,能识别并在其表面的不同位点上结合密码子 和氨基酸。
9
遗传密码通过两个接头分子的先后作用得以翻译
10
以原核细胞为例，蛋白质合成包括3个主要阶段： ① 肽链的起始 ② 肽链的延伸 ③ 肽链的终止 （一）肽链的起始 涉及mRNA、起始tRNA和核糖体小亚基间相互作用和装配 ① 30 S 小亚基与mRNA的结合 （结合部位 mRNA的起始密码子AUG） 起始因子（initiation factor， IF）：帮助形成起始复合物 ② 第一个氨酰-tRNA进入核糖体 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AUG识别. ③ 完整起始复合物的装配（70 S 核糖体）
11
真核细胞内蛋白质合成的起始
12
（二）肽链的延伸 ① 氨酰-tRNA进入核糖体A位点的选择 氨酰-tRNA. EF-Tu. GTP ② 肽键的形成 肽酰转移酶催化 （核糖体大亚基rRNA，活性位点位于 23 S rRNA结构域V的中央环） ③ 转位 延伸因子 （原核EF-G，真核eEF2） ④ 脱氨酰-tRNA的释放
平台 （platform）
头部 （head）
主体 （Body）
横跨界面
5
三、核糖体蛋白质与rRNA的功能
核糖体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结合的位点 蛋白质的起始合成首先需要mRNA与小亚基结合 ② A位点 与新掺入的氨酰-tRNA结合的位点 ——氨酰基位点 ③ P位点 与延伸中的肽酰-tRNA结合的位点—— 肽酰基位点 ④ E位点 脱氨酰tRNA的离开A位点到完全释放的一个位点 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 核糖体最主要的活性部位 ⑦ 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。 目前认为，在核糖体中，rRNA是起主要作用的结构成分，其主要功能是： 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
核糖体是一种核糖核蛋白颗粒（rebonucleoprotein particle）， 是细胞内合 成蛋白质的细胞器，其功能是按照mRNA的信息将氨基酸高效精确地合成 多肽链。
- 1953年E. Robinson 和R.Brown观察到植物细胞中的核糖体，1955年GE Palade观察到动 物细胞中的核糖体。 - 几乎存在于一切细胞中（原核细胞和真核细胞），极个别高度分化细胞没有 - 是一种不规则的颗粒状结构，没有生物膜包裹 - 直径为25~30nm，主要成分是RNA和蛋白质 - 核糖体RNA称为rRNA (2/3) ，蛋白质称r蛋白质(1/3),两者靠非共价键结合在一起 - rRNA对控制翻译精确性、tRNAs选择、蛋白因子结合、肽键的形成等发挥主要作用 - 附着核糖体（粗面内质网） 游离核糖体 - 常分布在细胞内蛋白质合成 旺盛的区域，其数量与蛋白 质合成程度有关 -核糖体的实质是核酶 （具有催化活性的RNA分子）
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（三）肽链的终止
如A位点 mRNA是UAA、UGA或UAG终止密码子，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，蛋白质合成终止。
释放因子（RF） 识别终止密码子，催化蛋白质合成的终止（促使肽酰转移酶催化水 分子添加到肽酰-tRNA上。
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四环素
链霉素
氯霉素
环己酰亚胺
利福霉素
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rRNA
- 一级结构在进化上非常保守； - 16 S rRNA的二级结构具有更高的保守性，都折叠成相似的二级结构， 即由多个茎环（stem-loop structure）所组成的结构，分四个结构域； - 三级结构的稳定涉及多种作用力（rRNA螺旋间的相互作用以及腺嘌呤插入螺旋小沟 的作用力等），在形成三级结构后，16s RNA每一个大的结构域都对应小亚基的一个 形态部位,而23S rRNA的6个结构域在50S 大亚基中是相互交织在一起的，形成一 个“集成”结构。
目前关于r蛋白的功能有多种推测，主要有： 核糖体主要活性部位示意图 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，核糖体的空间构象发生一系列的变化，某些r蛋白可能对核糖体 的构象起“微调”作用。 6
第二节 多核糖体与蛋白质的合成
一、多核糖体
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联在 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的聚合体称为多核糖体（polyribosome或polysome）。 - 每种多核糖体所包含的核糖体数量是由mRNA的长度来决定的。 - 真核细胞中每个核糖体每秒能将两个氨基酸残基加到多肽链上，细菌细胞中可将20个 氨基酸加到多肽链上，合成一条完整的多肽链平均需要20s至几分钟 - 以多核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其数量的调控更为经济和有效 - 原核细胞中，在mRNA合成的同时，核糖体就结合到mRNA上，即DNA转录成mRNA和 mRNA翻译成蛋白质这两个生命活动是同时并几乎在同一部位进行的 - 真核细胞中，多核糖体或附着在内质网上，或游离在细胞质基质中。
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三、核糖体与RNA世界
（一）核糖体的本质是核酶
（二）RNA世界与生命起源 20世纪80年代 W. Gilbert 先有核酸，还是先有蛋白质？ 最早出现的生物大分子可能是 RNA， 兼具了遗传（DNA）与催化（蛋白质）的功能。——RNA world
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第一节 核糖体的类型与结构
一、核糖体的基本类型与化学组成
原核细胞核糖体
真核细胞核糖体 70S （50S + 30S） MW 2.5x106 80S （60S + 40S） MW 4.2x106 线粒体自身核糖体 ≈ 70S 真核细胞核糖体的组成
Байду номын сангаас
核糖体大小亚基常游离于细胞质基质中，只有当小亚基与mRNA结合后大亚基才与小 2 亚基结合形成完整的核糖体。肽链合成终止后，大小亚基解离，由游离于细胞质基质中。
Simultaneous transcription & translation of a prokaryotic DNA
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多核糖体翻译蛋白质
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二、蛋白质的合成
蛋白质合成是细胞中最复杂、最精确的生命活动之一，需要各种携带氨基 酸的tRNA、核糖体、mRNA、多种蛋白质因子、阳离子及GTP等的参与。 在蛋白质合成过程中，有3个关键问题： ① 如何催化肽键形成？ ② 如何识别正确的tRNA？ ③ tRNA和mRNA如何通过核糖体的活性位点？
二、核糖体的结构
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对核糖体高分辨率的X射线衍射图谱分析表明： ① 每个核糖体含有4个RNA分子的结合位点，其中1个位点供mRNA结合，3个位 点供tRNA分子结合，分别为A位点、P位点和E位点，这些位点横跨核糖体大 小亚基结合面。 ② 在核糖体大小亚基结合面，特别是mRNA和tRNA结合处，无核糖体蛋白分布 ③ 催化肽键形成的活性位点由RNA组成 ④ 大多数核糖体蛋白有一个球形结构域和伸展的尾部，球形结构域分布于核 糖体表面，而其伸展的多肽链尾部则伸入核糖体内折叠的rRNA分子中。许 多核糖体蛋白与RNA具有多个结合位点，发挥稳定rRNA三级结构的作用
tRNA是连接氨基酸和密码子的分子接头,能识别并在其表面的不同位点上结合密码子 和氨基酸。
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遗传密码通过两个接头分子的先后作用得以翻译
10
以原核细胞为例，蛋白质合成包括3个主要阶段： ① 肽链的起始 ② 肽链的延伸 ③ 肽链的终止 （一）肽链的起始 涉及mRNA、起始tRNA和核糖体小亚基间相互作用和装配 ① 30 S 小亚基与mRNA的结合 （结合部位 mRNA的起始密码子AUG） 起始因子（initiation factor， IF）：帮助形成起始复合物 ② 第一个氨酰-tRNA进入核糖体 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AUG识别. ③ 完整起始复合物的装配（70 S 核糖体）
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真核细胞内蛋白质合成的起始
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（二）肽链的延伸 ① 氨酰-tRNA进入核糖体A位点的选择 氨酰-tRNA. EF-Tu. GTP ② 肽键的形成 肽酰转移酶催化 （核糖体大亚基rRNA，活性位点位于 23 S rRNA结构域V的中央环） ③ 转位 延伸因子 （原核EF-G，真核eEF2） ④ 脱氨酰-tRNA的释放
平台 （platform）
头部 （head）
主体 （Body）
横跨界面
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三、核糖体蛋白质与rRNA的功能
核糖体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结合的位点 蛋白质的起始合成首先需要mRNA与小亚基结合 ② A位点 与新掺入的氨酰-tRNA结合的位点 ——氨酰基位点 ③ P位点 与延伸中的肽酰-tRNA结合的位点—— 肽酰基位点 ④ E位点 脱氨酰tRNA的离开A位点到完全释放的一个位点 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 核糖体最主要的活性部位 ⑦ 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。 目前认为，在核糖体中，rRNA是起主要作用的结构成分，其主要功能是： 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