細(xì)胞生物學(xué)第十一章第一頁，共36頁。一、核糖體的基本類型與成分

核糖核蛋白體,簡稱核糖體(ribosome)

基本類型

附著核糖體

游離核糖體

70S的核糖體

80S的核糖體

主要成分

r蛋白質(zhì)：40%，核糖體表面

rRNA:60%,，核糖體內(nèi)部按存在的部位:有三種類型核糖體，細(xì)胞質(zhì)核糖體、線粒體核糖體、葉綠體核糖體。第二頁，共36頁。二、核糖體的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)與功能的分析方法

蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)

第三頁，共36頁。結(jié)構(gòu)與功能的分析方法

離子交換樹脂可分離純化各種r蛋白；

純化的r蛋白與純化的rRNA進(jìn)行核糖體的重組裝，顯示核糖體中r蛋白與rRNA的結(jié)構(gòu)關(guān)系

雙向電泳技術(shù)可顯示出E.coli核糖體在裝配各階段中，與rRNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型

雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分離可用于研究r蛋白在結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系

電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究r蛋白在核糖體的亞單位上的定位。

對rRNA，特別是對16SrRNA結(jié)構(gòu)的研究

70S核糖體的小亞單位中rRNA與全部的r蛋白關(guān)系的空間模型

第四頁，共36頁。

同一生物中不同種類的r蛋白的一級結(jié)構(gòu)均不相同，在免疫學(xué)上幾乎沒有同源性。

不同生物同一種類r蛋白之間具有很高的同源性，并在進(jìn)化上非常保守。第五頁，共36頁。

蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后層次性。

核糖體的重組裝是自我裝配過程第六頁，共36頁。

16SrRNA的一級結(jié)構(gòu)是非常保守的

16SrRNA的二級結(jié)構(gòu)具有更高的保守性：

臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)

rRNA三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性涉及多種作用力，如rRNA螺旋間的相互作用以及腺嘌呤插入螺旋小溝的作用力等。第七頁，共36頁。蛋白質(zhì)合成過程中很多重

要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)

涉及的多數(shù)因子為G蛋白(具有GTPase活性)，核糖體上與之相關(guān)位點(diǎn)稱為GTPase相關(guān)位點(diǎn)。

最近人們成功地制備核糖體蛋白L11-rRNA復(fù)合物的晶體，獲得了其空間結(jié)構(gòu)高分辨率的三維圖象。

這一結(jié)果證實(shí)了前人用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)所獲得的種種結(jié)論

提出直觀、可靠且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和可能的作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有30多億年歷史的古老的高度復(fù)雜的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧秘邁出了極重要的一步。第八頁，共36頁。三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能分析

核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)

在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究

第九頁，共36頁。核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)

合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)

與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)

與新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——氨酰基位點(diǎn)，又稱A位點(diǎn)

與延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——肽酰基位點(diǎn)，又稱P位點(diǎn)

肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——E位點(diǎn)(exitsite)

與肽酰tRNA從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶(即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點(diǎn)

肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)

與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點(diǎn)第十頁，共36頁。在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究

核糖體蛋白

在核糖體中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分

r蛋白質(zhì)的主要功能

第十一頁，共36頁。核糖體蛋白

很難確定哪一種蛋白具有催化功能：在E.coli中核糖體蛋白突變甚至缺失對蛋白質(zhì)合成并沒有表現(xiàn)出“全”或“無”的影響。

多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由于r蛋白的基因突變而往往是rRNA基因突變。

在整個(gè)進(jìn)化過程中rRNA的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。以上現(xiàn)象給大家什么樣的提示？第十二頁，共36頁。在核糖體中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分

具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；

為tRNA提供結(jié)合位點(diǎn)(A位點(diǎn)、P位點(diǎn)和E位點(diǎn))；

為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；

在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同mRNA選擇性地結(jié)合,以及在肽鏈的延伸中與mRNA結(jié)合；

核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀(proofreading)、無意義鏈或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都與rRNA有關(guān)。第十三頁，共36頁。r蛋白質(zhì)的主要功能

對rRNA折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的；

在蛋白質(zhì)合成中,某些r蛋白可能對核糖體的構(gòu)象起“微調(diào)”作用；

在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中,核糖體蛋白與rRNA共同行使功能。第十四頁，共36頁。第二節(jié)聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成

多聚核糖體(polyribosome或polysome)

蛋白質(zhì)的合成

RNA在生命起源中的地位及其演化過程

第十五頁，共36頁。一、多聚核糖體

(polyribosome或polysome)

概念核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條mRNA分子上高效地進(jìn)行肽鏈的合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。

多聚核糖體的生物學(xué)意義

細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小或是mRNA的長短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的多肽分子數(shù)目都大體相等。同一條mRNA被多個(gè)核糖體同時(shí)翻譯成蛋白質(zhì),大大提高了蛋白質(zhì)合成的速率.

以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對mRNA的利用及對其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。更重要的是減輕了細(xì)胞核的負(fù)荷,減少了基因的拷貝數(shù),也減輕了細(xì)胞核進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄和加工的壓力。第十六頁，共36頁。三、RNA在生命起源中的地位及其演化過程

生命是自我復(fù)制的體系

DNA代替了RNA的遺傳信息功能

蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能

第十七頁，共36頁。生命是自我復(fù)制的體系

三種生物大分子，只有RNA既具有信息載體功能又具有酶的催化功能。因此，推測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催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì)第十八頁，共36頁。DNA代替了RNA的遺傳信息功能

DNA雙鏈比RNA單鏈穩(wěn)定；

DNA鏈中胸腺嘧啶代替了RNA鏈中的尿嘧啶，使之易于修復(fù)。第十九頁，共36頁。蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能

蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性與構(gòu)象的多變性；

與RNA相比，蛋白質(zhì)能更為有效地催化多種生化反應(yīng)，并提供更為復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分，逐漸演化成今天的細(xì)胞。第二十頁，共36頁。游離核糖體附著核糖體第二十一頁，共36頁。翻轉(zhuǎn)90度第二十二頁，共36頁。60S40S第二十三頁，共36頁。原核生物與真核生物核糖體成分的比較

第二十四頁，共36頁。E.coli核糖體小亞單位中rRNA與r蛋白的相互關(guān)系示意圖線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)（粗線）與弱（細(xì)線）（引自Albertsetal，1989）第二十五頁，共36頁。E.coli（a）核糖體小亞單位中的部分r蛋白與rRNA的結(jié)合位點(diǎn)）（b）及其在小亞單位上的部位（引自Albertetal.，1989，圖a;Lewin,1997,圖b）第二十六頁，共36頁。核糖體小亞單位rRNA的二級結(jié)構(gòu)(a)E.coli16SrRNA；（紅色為高度保守區(qū)）(b)酵母菌18SrRNA，它們都具有類似的40個(gè)臂環(huán)結(jié)構(gòu)(圖中1～40)，其長度和位置往往非常保守；P、E分別代表僅在原核或真核細(xì)胞中存在的rRNA的二級結(jié)構(gòu)。(Darnelletal.，1990)第二十七頁，共36頁。L11-rRNA復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)(引自Porseet.al.,1999)第二十八頁，共36頁。第二十九頁，共36頁。第三十頁，共36頁。第三十一頁，共36頁。第三十二頁，共36頁。酶作用物RNA酶作用物RNA裂開第三十三頁，共36頁。第三十四頁，共36頁。核糖體最早是AlbertClaude于1930s后期用暗視野顯微鏡觀察細(xì)胞的勻漿物時(shí)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)稱為微體(Microsomes).1950s中期，GeorgePalade在電子顯微鏡下觀察到這種顆粒的存在。當(dāng)時(shí)GeorgePalade和他的同事研究了多種生物的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)中有類似的顆粒存在，尤其在進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的細(xì)胞中特別多。后來PhilipSiekevitz用亞細(xì)胞組份分離技術(shù)分離了這種顆粒，并發(fā)現(xiàn)這些顆?？偸前殡S內(nèi)質(zhì)網(wǎng)微粒體一起沉積?；瘜W(xué)分析揭示，這種微粒富含核苷酸，隨之命名為ribosome，主要成分是核糖體RNA(rRNA)，約占60%、蛋白質(zhì)(