第十二章 核糖体(ribosome)

辅助因子
• 起始因子： IF１：与30S亚基结合，增加起始复合物 形成速度 IF２：是一种GTP结合蛋白，协助第一个 氨酰tRNA进入核糖体。 IF３：与30S亚基结合，使之避免与50S亚 基发生无效结合
• 延长因子 EF-TU EF-Ts EF-G 终止因子 RF-1 RF-2
在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
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。
三、核糖体蛋白质与rRNA的功能分析
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
多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
RNA在生命起源中的地位及其演化过程
一、多聚核糖体 (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 同一条 mRNA 被多个核糖体同时翻译成蛋白质大大提高了蛋 白质的合成速率，也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力。 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。
核糖体小亚单位rRNA (a) E.coli 16S rRNA；（红色为高度保守区） (b) 酵母菌18S rRNA，它们都具有类似的40个臂环结构(图中1～40)， 其长度和位置往往非常保守；P、E分别代表仅在原核或真核细胞中 存在的rRNA的二级结构。(Darnell et al.，1990)
DNA代替了RNA的遗传信息功能
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
蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；
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。
个清晰的亮区，其图象如同一张照相的
底片，因此成为负染色。
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）
Βιβλιοθήκη Baidu
离子交换树脂 （ion exchange resins）
• 一类带有功能基的网状结构的高分子化合物。
核糖体在组装过程中 , 某些蛋白质必须首先 结合到 rRNA 上 , 其他蛋白才能组长上去即表现 出先后层次。根据同 rRNA 结合的顺序 , 将核糖 体蛋白分为两种. 核糖体的重组装是自我装配过程
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)
一、核糖体的基本类型与成分
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 原核细胞的核糖体 真核细胞的核糖体 主要成分 r蛋白质：1/3，核糖体表面 rRNA:2/3,，核糖体内部
Mg2+ 浓度对大小亚基的聚合和解离的影响:
◆70S核糖体在Mg2+的浓度小于1mmol/L的溶液中
rRNA臂环结构的三级结构模型的稳定涉及 多种作用力，如RNA螺旋间的相互作用以及腺 嘌呤插入螺旋小沟的作用力等。
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
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
(三)、 终止 当终止密码子（UAA, UAG,UGA）进入 Ａ位点时肽链合成就进入终止期。原核 生 物 有 三 个 释 放 因 子 （ RF-1, RF-2, RF-3）参与终止。
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) 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。
第二节
免疫标记技术是指用荧光素、酶、放射性 同位素或电子致密物质等标记抗体或抗 原进行的抗原抗体反应。此技术优点很 多 : 特异、敏感、快速、能定性和定量 甚至定位，且易于观察。
电镜负染色
是20世纪60年代开始于英国实验室，
当时人们发现一些重金属离子能绕核蛋
白体四周沉淀下来，形成一个黑暗的背
景，在核蛋白体内部不能沉积而形成一
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。
在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分
(二)、 延伸 （ 1 ）起始的携带有甲酰甲硫氨酸的 tRNA 占据 P 位点，新的氨酰tRNA进入核糖体的A位。延伸 因子EF-Tu.GTP （2）肽键形成（转肽）。肽酰转移酶催化 （3）核糖体移位（转位）：核糖体沿 mRAN分子 的 5’-3’ 方向移动三个核苷酸。这三步构成了 肽链延伸的一个循环 （4）脱氨酰-tRNA的释放：脱氨酰 tRNA离开E位 点。
三、RNA在生命起源中的地位及其演化过程
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
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
硫氨酸的tRNA通过反密码子与mRNA中的AUG识别并进入 核糖体
（3）完整起始复合物的组装。
tRNA与AUG密码子结合，核糖体大亚基与起始复合物结 合，形成完整的70S核糖体mRNA复合物、伴随起始因子 的释放
IF１：协助30S亚基与mRNA的结合，并有可能防 止氨酰-tRNA进入核糖体的错误位点 IF２：是一种GTP结合蛋白，对GTP和有一定亲和 力。协助第一个氨酰-tRNA进入核糖体。 IF３：与30S亚基结合，使之避免与50S亚基发生 无效结合
34
原核生物与真核生物核糖体成分的比较
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）
E.coli
（a）核糖体小亚单位中的部分r蛋白与rRNA的结合位点） （b）及其在小亚单位上的部位 （引自Albert et al.，1989，图a; Lewin,1997,图b
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。
各种来源的核糖体亚基组成
来源 完整核糖体 核糖体亚基 核糖体RNAs 细胞质 80S 60S(大亚基) 28S (真核生物) 40S(小亚基) 18S，5.8S,5S 细胞质 70S 50S(大亚基) 23S (原核生物) 30S(小亚基) 16S，5S 线粒体 55-60S 45S(大亚基) 16S (哺乳动物) 35S(小亚基) 12S 线粒体 75S 53S(大亚基) 21S (酵母) 35S(小亚基) 14S 线粒体 78S 60S(大亚基) 26S (高等植物) 45S(小亚基) 18S，5S 叶绿体 70S 50S(大亚基) 23S 30S(小亚基) 16S，5S
不熔不溶，能同溶液中的离子进行非均相交 换反应。 • 最主要的离子交换反应有： ①阳离子交换树脂的交换反应 ②阴离子交换树脂的交换反应
离子交换树脂的主要应用
• ①水处理，除去水中的钙、镁和铁离子以使 工业用水软化及获得电子、半导体、原子能 工业用的无离子水。
• ②分离、浓缩、提纯和回收铀、稀土元素、 贵金属及铬、铜等。
L11-rRNA复合物的三维结构 (引自Porse et.al.,1999)
蛋白质的合成
又称蛋白质的翻译，是细胞中最复杂、 最精确的生命活动之一。 蛋白质合成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。
原核生物的蛋白质合成
（一）、 翻译起始
（1） 30S小亚基与mRNA 的结合：IF1、 IF2、 IF3、 （2）第一个氨酰-tRNA进入核糖体 携带有甲酰甲
第九章
核糖体(ribosome
核糖体的类型与结构
多聚核糖体与蛋白质的合成
2009年诺贝尔化学奖
三位科学家英国剑 桥大学文卡特拉 曼· 拉马克里希 南、美国科学家 托马斯· 施泰茨 和以色列科学家 阿达· 约纳特因 “对核糖体的结 构和功能的研究” 而获得2009的诺 贝尔化学奖。
贡献
都采用了X射线蛋白质晶体学的技术，标 识出了构成核糖体的成千上万个原子。 这些科学家们不仅让我们知晓了核糖体 的“外貌”，而且在原子层面上揭示了 核糖体功能的机理。
第一节 核糖体的类型与结构
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
细胞器的一种，为椭球形的粒状小体。 在1953年由Ribinson和Broun用电镜观 察植物细胞时发现胞质中存在一种颗粒 物质。1955年Palade在动物细胞中也看 到同样的颗粒，进一步研究了这些颗粒 的化学成份和结构。1958年Roberts根 据化学成份命名为核糖核蛋白体，简称 核糖体，又称核蛋白体。
• ③医学和医药上的回收、分离和提纯。
• ④作为有机合成中的固体酸碱催化剂。 • ⑤食品及生物制品的脱色。
核糖体的重组装：将不同来源的核糖体大小 亚基、或不同亚基的 rRAN 或蛋白质重新组合， 形成杂合的核糖体后研究其功能的实验方法。 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。
二、核糖体的结构
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
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
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
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
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
r蛋白质的主要功能
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。
核糖体蛋白