生物化学-核糖体

第九章 核糖体 (ribosome) 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构第二节第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体与蛋白质的合成 教学目标l 掌握掌握 : (重点重点 )核糖体的类型与结构、组成成分核糖体的类型与结构、组成成分 ;核糖体的功能活性位点。核糖体的功能活性位点。l 熟悉：熟悉：RNA在生命起源中的地位。在生命起源中的地位。核糖体l 核糖体是细胞不可缺少的基本结构核糖体是细胞不可缺少的基本结构核糖体是在各类细胞中普遍存在的颗粒状结构核糖体是在各类细胞中普遍存在的颗粒状结构，是一种非常重要的细胞器。核糖体是，是一种非常重要的细胞器。核糖体是 无膜无膜 的的细胞器，存在于所有细胞中细胞器，存在于所有细胞中 (除个别特化细胞除个别特化细胞）。）。 l Robinson Brown（ 1953）发现于植物细胞。）发现于植物细胞。l Palade（ 1955）发现于动物细胞。）发现于动物细胞。l Roberts（ 1958）建议命名为核糖核蛋白体（）建议命名为核糖核蛋白体（ribosome），简称核糖体。），简称核糖体。第一节 核糖体的类型与结构功能：功能： 核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一 的功能的功能 是按照是按照 mRNA的指令由氨基酸高的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。效且精确地合成多肽链。 一、一、 核糖体的基本类型与成分核糖体的基本类型与成分 二、二、 核糖体的结构核糖体的结构 三、三、 核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析的功能分析 一、核糖体的基本类型与成分核糖核蛋白体核糖核蛋白体 ,简称核糖体简称核糖体 (ribosome) 基本基本 类型类型存在方式存在方式 ：附着核糖体：附着核糖体：游离核糖体：游离核糖体： 细胞质基质、线粒体、叶绿体基质细胞质基质、线粒体、叶绿体基质 核糖体的直径 1520nm。大、小两个亚单位构成 ,结合时，凹陷部位形成 一隧道 ，mRNA通过。大亚基上还有 一隧道与其 垂直，新生成的肽链通过 。 柄柄中央突起中央突起脊脊头头缝缝70S核糖体核糖体 核糖体的组成核糖体的组成一、核糖体的基本类型与成分l 类型类型 ： l 70S的的 核糖体核糖体 (50 S、 30 S) ：原核细胞、叶绿：原核细胞、叶绿体、体、 线粒体线粒体 l 80S的的 核糖体核糖体 (60 S 、 40 S) ：真核细胞的细胞：真核细胞的细胞质质 l 主要主要 成分成分l r蛋白质：蛋白质： 40% ，核糖体表面，核糖体表面l rRNA:60%, ，核糖体内部，核糖体内部， rRNA都具有甲都具有甲基化现象基化现象 原核生物与真核生物核糖体成分的比较原核生物与真核生物核糖体成分的比较 二、核糖体的结构结构与功能的分析方法结构与功能的分析方法 ： 离子交换树脂离子交换树脂 -r蛋白、蛋白、双功能的交联剂和双向电泳分离双功能的交联剂和双向电泳分离 -r蛋白在结构上的相互关系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电镜负染色与免疫标记技术结合 -r蛋白在核糖体的亚单位上蛋白在核糖体的亚单位上的定位的定位 同一生物中不同种类的同一生物中不同种类的 r蛋白的一级结构均不相同蛋白的一级结构均不相同不同生物同一种类不同生物同一种类 r蛋白之间具有很高的同源性，蛋白之间具有很高的同源性， 并在并在 进化上非常保守进化上非常保守 。蛋白质结合到蛋白质结合到 rRNA上具有先后上具有先后 层次性层次性 。核糖体的重组装是核糖体的重组装是 自我装配自我装配 过程过程核糖体 rRNA的结构l E.coli 的的 16SrRNA的一级结构是非常保守的，二的一级结构是非常保守的，二级结构具有更高的保守性级结构具有更高的保守性 臂环结构臂环结构 。核糖体小亚单位核糖体小亚单位 rRNA的二级结构的二级结构 (a) E.coli 16S rRNA；（红色为高度保守区）；（红色为高度保守区）(b) 酵母菌酵母菌 18S rRNA，它们都具有类似的，它们都具有类似的 40个臂环结构个臂环结构 (图中图中 140)(Darnell et al.， 1990)核糖体大、小亚单位 r蛋白l 核糖体大、小亚基的核糖体大、小亚基的 r蛋白分别记为蛋白分别记为 L蛋蛋白和白和 S蛋白蛋白 ，位于，位于 核糖体表面核糖体表面 。l r蛋白蛋白 结合到结合到 rRNA具有先后具有先后 层次性层次性 。细菌核糖体细菌核糖体三、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合成有关的结合位点与催化位点 在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究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与 mRNA的结合位点的结合位点 :小亚基小亚基 (16S rRNA )氨酰基位点，又称氨酰基位点，又称 A位点位点 (受位受位 )肽酰基位点，又称肽酰基位点，又称 P位点位点 (供位供位 )E位点位点 (exit site)与肽酰与肽酰 tRNA从从 A位点转移到位点转移到 P位点有关的转移酶位点有关的转移酶(即延伸因子即延伸因子 EF-G)的结合位点的结合位点肽酰转移酶的肽酰转移酶的 催化位点催化位点 :大亚基大亚基 (23S rRNA) 与蛋白质合成有关的与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点终止因子的结合位点 主主要要位位于于大大亚亚基基与与 tRNA结合的位点结合的位点在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究核糖体中最主要的活性部位是核糖体中最主要的活性部位是 肽酰转移酶的肽酰转移酶的催化位点催化位点 .r蛋白和蛋白和 rRNA，谁是主要的功能分子，谁是主要的功能分子 ?在整个进化过程中在整个进化过程中 rRNA的结构比核糖体蛋的结构比核糖体蛋白白的结构具有更高的保守性。的结构具有更高的保守性。rRNA是核糖体中起主要作用的结构成分和功能成分在核糖体中 rRNA是起主要作用的结构成分和功能成分具有肽酰转移酶的活性具有肽酰转移酶的活性 :70S核糖体的大亚基核糖体的大亚基 23S rRNA 为为 tRNA提供结合位点提供结合位点 (A位点、位点、 P位点和位点和 E位点位点 )； 为多种蛋白质合成因子提供结合位点；为多种蛋白质合成因子提供结合位点； 在蛋白质合成起始时参与同在蛋白质合成起始时参与同 mRNA选择性地结选择性地结合以及在肽链的延伸中与合以及在肽链的延伸中与 mRNA结合；结合；核糖体大小亚单位的结合、校正阅读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、无意义链或框架漂移的校正、 以及抗菌素的作用等以及抗菌素的作用等都与都与 rRNA有关。有关。 r蛋白质的主要功能对对 rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；折叠成有功能的三维结构是十分重要的；在蛋白质合成中在蛋白质合成中 , 某些某些 r蛋白可能对核糖体的构象蛋白可能对核糖体的构象起起 “微调微调 ”作用；作用；在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中 , 核核糖体蛋白与糖体蛋白与 rRNA共同行使功能。共同行使功能。 第二节 聚核糖体与蛋白质的合成一、 多聚核糖体 (polyribosome或 polysome) 二、 蛋白质的合成 三、 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) 概念概念由多个甚至几十个核糖体串连在一条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种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA的聚合体称为的聚合体称为 多聚核糖体多聚核糖体 。多聚核糖体的生物学意义多聚核糖体的生物学意义细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大小或是小或是 mRNA的长短如何，单位时间内所合成的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等。的多肽分子数目都大体相等。以多聚核糖体的形式进行多肽合成，以多聚核糖体的形式进行多肽合成， mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。二、 蛋白质的合成过程：过程：l 1.mRNA和小亚基的识别与和小亚基的识别与结合；结合；l 2.翻译起始；翻译起始；l 3.肽链延伸；肽链延伸；l 4.肽链合成终止。肽链合成终止。特点：特点：l 从从 mRNA的的 5 3l tRNA的反密码子识别的反密码子识别mRNA的密码子。的密码子。l NH2-氨基酸开始，氨基酸开始， COOH-氨基酸结束。氨基酸结束。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生命是自我复制的体系 DNA代替了代替了 RNA的遗传信息功能的遗传信息功能蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分 RNA酶的功能酶的功能生命是自我复制的体系三种生物大分子，只有三种生物大分子，只有 RNA既具有信息载体既具有信息载体功能又具有酶的催化功能。因此，推测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。可能是生命起源中最早的生物大分子。核酶核酶 (ribosome)： 具有催化作用的具有催化作用的 RNA。由由 RNA催化产生了蛋白质催化产生了蛋白质 DNA代替了 RNA的遗传信息功能DNA双链比双链比 RNA单链稳定；单链稳定；D