第十一章-核糖体(精要部分)

1、2021/3/131 第十一章第十一章 核核 糖糖 体体 2021/3/132 第十一章第十一章 核糖体和蛋白质合成核糖体和蛋白质合成 核糖体核糖体(ribosome)是合是合成蛋白质的成蛋白质的无膜包被细胞器无膜包被细胞器, ,其其 唯一的功能是按照唯一的功能是按照mRNAmRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成的指令由氨基酸高效且精确地合成 多肽链。多肽链。 核糖体几乎存在于一切细胞内核糖体几乎存在于一切细胞内, ,游离游离于细胞质基质中于细胞质基质中, ,或或 附着附着于内质网膜及核膜上（真核细胞）。于内质网膜及核膜上（真核细胞）。 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

2、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 2021/3/133 第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构 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rRNArRNA的功能分析的功能分析 2021/3/134 一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分 （一）（一）核糖体基本类型核糖体基本类型 附着核糖体附着核糖体 游离核糖体游离核糖体 原核细胞原核细胞70S70S的核糖体的核糖体 真核细胞真核细胞80S80S的核糖体的核糖体 每种核糖体都由大小两个亚基组成每种核糖体都由大小两

3、个亚基组成, ,每个亚基都含每个亚基都含 有蛋白质和有蛋白质和rRNArRNA。 2021/3/135 1. 70S1. 70S核糖体核糖体 n原核细胞核糖体沉降系数为原核细胞核糖体沉降系数为70S,270S,2* *106106 n离子浓度对大小亚基的结合起重要作用离子浓度对大小亚基的结合起重要作用, ,对对70S70S核核 糖体体外实验表明糖体体外实验表明: : nMg2浓度小于浓度小于1mmol/ml 时时,解离成大（解离成大（50S） 小（小（30S）亚基解离）亚基解离; nMg2浓度大于浓度大于10mmol/ml 时时,两个两个70S核糖体核糖体 构成构成100S的二聚体的二聚体;

4、n真核细胞中线粒体和叶绿体内自身核糖体真核细胞中线粒体和叶绿体内自身核糖体70S 2021/3/136 大亚单位呈半圆形大亚单位呈半圆形, ,一侧伸出三个突起一侧伸出三个突起, ,中央有一凹陷。小亚单中央有一凹陷。小亚单 位呈长条形位呈长条形, ,约于约于1/31/3长度处有一细的缢痕长度处有一细的缢痕, ,使小亚单位分为大小两使小亚单位分为大小两 个部分。二者结合起来时个部分。二者结合起来时, ,凹陷部位彼此对应凹陷部位彼此对应, ,形成一隧道。形成一隧道。 2021/3/137 n核糖体大小亚基常常游离于细胞质基质中核糖体大小亚基常常游离于细胞质基质中, ,只有当小亚基与只有当小亚基与mR

5、NAmRNA结结 合后大亚基才与小亚基结合形成完整的核糖体。肽链终止后合后大亚基才与小亚基结合形成完整的核糖体。肽链终止后, ,大小大小 亚基解离亚基解离, ,又游离于细胞质基质中。又游离于细胞质基质中。 2021/3/138 2. 80S2. 80S核糖体核糖体 n80s80s核糖体和核糖体和70s70s形态总体结构基本相似。大亚基中形态总体结构基本相似。大亚基中 28SrRNA28SrRNA在不同的物种中大小有差别。在不同的物种中大小有差别。 n60S:28S60S:28S、5.8S5.8S、5S rRNA;5S rRNA; n40S40S: :18SrRNA18SrRNA。 n尽管原核生

6、物与真核生物核糖体的蛋白质和尽管原核生物与真核生物核糖体的蛋白质和rRNArRNA差异差异 很大很大, ,但结构总体相似但结构总体相似, ,特别是负责与特别是负责与mRNAmRNA结合的小亚基。结合的小亚基。 n原核和真核细胞的原核和真核细胞的rRNArRNA都具有甲基化现象都具有甲基化现象, ,这种甲基这种甲基 化与化与RNARNA的转录后加工过程的酶识别有关。的转录后加工过程的酶识别有关。 n另外原核另外原核5S5S、16S rRNA16S rRNA和真核和真核5.8S5.8S、18S rRNA18S rRNA结构高结构高 度保守度保守, ,常用于研究生物进化。常用于研究生物进化。 202

7、1/3/139 2021/3/1310 （二）核糖体的主要成分（二）核糖体的主要成分 r蛋白质蛋白质:40%,核糖体表面核糖体表面 rRNA: 60%,核糖体内部核糖体内部 2021/3/1311 1.1.核糖体核糖体RNARNA q原核生物的核糖体含有三种大小不同的原核生物的核糖体含有三种大小不同的 rRNA,rRNA,在小在小 亚单位中的为亚单位中的为 16s rRNA16s rRNA, ,在大亚单位中的为在大亚单位中的为23S 23S renalrenal和和 5S rRNA5S rRNA。 q真核生物的核糖体含有真核生物的核糖体含有4 4种种rRNArRNA, ,在小亚单位中的为在小亚

8、单位中的为 18S rRNA18S rRNA, ,在大亚单位中的为在大亚单位中的为 28S28S、5S5S和和 5.8S rRNA5.8S rRNA。 qrRNArRNA具有高度复杂的二级结构具有高度复杂的二级结构, ,线性线性rRNArRNA分子内部有分子内部有 7070的区段形成了双链螺旋。各种蛋白质则结合到的区段形成了双链螺旋。各种蛋白质则结合到 折叠的折叠的rRNArRNA分子上。分子上。 2021/3/1312 n2.2.核糖体蛋白核糖体蛋白 q大肠杆菌核糖体中共含有大肠杆菌核糖体中共含有5050多种蛋白质多种蛋白质, ,其中小其中小 亚单位约有亚单位约有2121种种, ,大亚单位含

9、有大亚单位含有3030余种余种, ,组成核组成核 糖体的蛋白质糖体的蛋白质, ,在大小亚单位中均有一定的空间在大小亚单位中均有一定的空间 分布。分布。 q真核生物的核糖体所含有蛋白质的种类比原核真核生物的核糖体所含有蛋白质的种类比原核 生物的要多一些生物的要多一些, ,大亚单位含有大亚单位含有4949种种, ,小亚单位小亚单位 含有含有3333种种, ,共计约共计约8080余种余种。 2021/3/1313 2021/3/1314 2021/3/1315 二、核糖体的结构二、核糖体的结构 n在电镜下在电镜下, ,核糖体具有一定的三维形态核糖体具有一定的三维形态, ,且每一核糖且每一核糖 体均由

10、大、小两个亚单位构成。体均由大、小两个亚单位构成。 n大亚单位略呈半圆形大亚单位略呈半圆形, ,直径约为直径约为2323纳米纳米, ,在一侧伸出在一侧伸出 三个突起三个突起, ,中央为一凹陷中央为一凹陷; ; n小亚单位呈长条形小亚单位呈长条形, ,在约在约 1 13 3长度处有一细的缢痕长度处有一细的缢痕, , 将小亚单位分为大小两个区域。将小亚单位分为大小两个区域。 n当大小亚单位结合在一起成核糖体时当大小亚单位结合在一起成核糖体时, ,其凹陷部位彼其凹陷部位彼 此对应此对应, ,从而形成一个隧道从而形成一个隧道, ,为蛋白质翻译时为蛋白质翻译时mRNAmRNA的穿的穿 行通路。行通路。

11、2021/3/1316 6SrRNA6SrRNA基因的常用途径基因的常用途径 n 细菌的细菌的rRNArRNA具有高度的保守性具有高度的保守性, ,又具有高度的又具有高度的 变异性。保守性反映物种的亲缘关系变异性。保守性反映物种的亲缘关系, ,高变性则揭高变性则揭 示物种的特征核苷酸序列示物种的特征核苷酸序列, , rRNArRNA是种属鉴定的基是种属鉴定的基 础。因此础。因此, ,可利用保守区设计通用引物扩增细菌的可利用保守区设计通用引物扩增细菌的 响应靶序列响应靶序列, ,再利用可变区的差异性鉴别菌种。再利用可变区的差异性鉴别菌种。 n16SrRNA16SrRNA基基因存在于细菌、衣原体、

12、支原体、放线菌等原核生物的因存在于细菌、衣原体、支原体、放线菌等原核生物的 染色体基因中染色体基因中, ,不存在于真菌、病毒等非原核生物中。几乎所有病原菌不存在于真菌、病毒等非原核生物中。几乎所有病原菌 的的16SrRNA16SrRNA基因测序已经完成。基因测序已经完成。 2021/3/1317 核糖体大小亚基与核糖体大小亚基与rRNArRNA之间之间, ,以及大小亚基之间以及大小亚基之间, ,rRNArRNA与与 蛋白质之间可以自行装配蛋白质之间可以自行装配, ,但详细机理尚未查清但详细机理尚未查清, ,根据目前的根据目前的 研究研究, ,至少可以肯定以下事实。至少可以肯定以下事实。 n（1

13、 1）30S30S亚单位的蛋白专同亚单位的蛋白专同 16S rRNA16S rRNA结合结合,50S,50S亚单位的蛋白亚单位的蛋白 专同专同 23S rRNA23S rRNA结合结合, ,若将其混合若将其混合, ,则装配不成有功能的亚单位。则装配不成有功能的亚单位。 n（2 2）从不同细菌提取出）从不同细菌提取出30S30S亚单位的蛋白质和亚单位的蛋白质和16S rRNA16S rRNA, ,混合混合 后可装配成有功能的后可装配成有功能的30S30S亚单位亚单位, ,说明无种间差异。说明无种间差异。 n（3 3）原核细胞与真核细胞的亚单位不能形成有功能的核糖体。）原核细胞与真核细胞的亚单位不

14、能形成有功能的核糖体。 n（4 4）E.coliE.coli的核糖体和（玉米中）叶绿体的核糖体相似的核糖体和（玉米中）叶绿体的核糖体相似, ,相相 互交换亚单位仍具功能。互交换亚单位仍具功能。 n（5 5）E.coliE.coli的核糖体和线粒体的核糖体不同的核糖体和线粒体的核糖体不同, ,相互交换后不相互交换后不 能装配。能装配。 2021/3/1318 三、核糖体蛋白质与三、核糖体蛋白质与rRNArRNA的功能的功能 （一）（一）核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的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结合位点与催化位点 （二）（二）在核糖体中在核糖体中rRNArRNA是

15、起主要作用的结构成分是起主要作用的结构成分 （三）（三）r r蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能 2021/3/1319 （一）核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关（一）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的结合位点与催化位点 1.1.与与mRNAmRNA的结合位点的结合位点: : 蛋白质的起始合成位点首先需要蛋白质的起始合成位点首先需要mRNAmRNA与小亚基与小亚基 结合。原核生物中结合。原核生物中, ,核糖体与核糖体与mRNAmRNA结合的位点位于结合的位点位于 16S rRNA16S rRNA的的3 3端端, ,其准确识别的基础是细菌其准确识别的基础是细菌mRNAmRN

16、A有一有一 段特殊的段特殊的SDSD序列序列, ,位于起始密码子上有位于起始密码子上有5-10bp5-10bp处。处。SDSD 序列能与核糖体小亚基序列能与核糖体小亚基16S rRNA16S rRNA的的3 3端序列互补结端序列互补结 合。真核生物没有合。真核生物没有SDSD序列序列, ,核糖体小亚基准确识别核糖体小亚基准确识别 mRNAmRNA的基础主要依赖于的基础主要依赖于mRNA 5mRNA 5端的甲基化帽子。端的甲基化帽子。 结构。结构。 2021/3/1320 （一）核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关（一）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的结合位点与催化位点

17、2.2.与新掺入的氨酰与新掺入的氨酰-tRNA-tRNA的结合位点的结合位点氨酰基位点氨酰基位点, ,又称又称A A位点位点 3.3.与延伸中的肽酰与延伸中的肽酰-tRNA-tRNA的结合位点的结合位点肽酰基位点肽酰基位点, ,又称又称P P位点位点 4.4.肽酰转移后与即将释放的肽酰转移后与即将释放的tRNAtRNA的结合位点的结合位点E E位点位点(exit site)(exit site) 5.5.与肽酰与肽酰tRNAtRNA从从A A位点转移到位点转移到P 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)EF-G)的结合位点的结合位点 6.6.肽酰转移酶的催化

18、位点（核糖体中最主要的活性部位）肽酰转移酶的催化位点（核糖体中最主要的活性部位） 7.7.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 结合位点结合位点 2021/3/1321 r r蛋白和蛋白和rRNA,rRNA,谁是主要的功能分子谁是主要的功能分子? ? n最初最初, ,人们认为是人们认为是r r蛋白执行核糖体主要的催化蛋白执行核糖体主要的催化 功能功能, ,因为因为“酶的本质是蛋白质酶的本质是蛋白质”; ; n很难确定哪一种蛋白具有催化功能很难确定哪一种蛋白具有催化功能: : 在在E.coli中中 核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白质

19、合成并没有表核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白质合成并没有表 现出现出“全全”或或“无无”的影响。的影响。 n多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株, ,并非由于并非由于r r 蛋白的基因突变而往往是蛋白的基因突变而往往是 rRNArRNA基因突变。基因突变。 n在整个进化过程中在整个进化过程中rRNArRNA的结构比核糖体蛋白结的结构比核糖体蛋白结 构具有更高的保守性。构具有更高的保守性。 2021/3/1322 （二）在核糖体中（二）在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分是起主要作用的结构成分 其主要功能是其主要功能是: 具有肽酰转移酶的活性具有肽酰转移酶的活性; ; 为

20、为tRNAtRNA提供结合位点提供结合位点(A(A位点、位点、P P位点和位点和E 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mRNAmRNA选择性地结合以及在选择性地结合以及在 肽链的延伸中与肽链的延伸中与mRNAmRNA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)(proofreading)、 无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都 与与rRNArRNA有关。有关。 202

21、1/3/1323 （三）（三）r r蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能 对对rRNA 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 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, , 核糖体蛋白与核糖体蛋白与rRNArRNA共同行使功能。共同行使功能。 2021/3/1324 核糖体之功能是合成蛋白质核糖体之功能是合成蛋白质 n具体作用可能在于具体作用可能在于: : n一是与一是与mRNAmRN

22、A的连接的连接, ,在在16S rRNA16S rRNA的的33端有一段顺序同端有一段顺序同 多数原核生物的多数原核生物的mRNAmRNA的核糖体结合部位有互补关系的核糖体结合部位有互补关系, , 从而使从而使30S30S亚单位能识别亚单位能识别mRNAmRNA的起始端。的起始端。 n二是为多肽链的形成提供表面位置二是为多肽链的形成提供表面位置, ,由大亚单位行使。由大亚单位行使。 n三是供三是供tRNAtRNA结合位点结合位点 n1.mRNA1.mRNA和小亚基的识别与结合和小亚基的识别与结合; ; n2.2.翻译起始翻译起始; ; n3.3.肽链延伸肽链延伸; ; n4.4.肽链合成终止肽

23、链合成终止; ; 2021/3/1325 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 一、一、多聚核糖多聚核糖体体(polyribosome或或polysome) 二、二、蛋白质的合成蛋白质的合成 三、三、RNARNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程 2021/3/1326 一、多聚核糖体一、多聚核糖体 (polyribosome或或polysome) 概念概念 核糖体在细胞内并不是单个独立地执行核糖体在细胞内并不是单个独立地执行 功能功能, ,而是由多个甚至几十个核糖体串连在一而是由多个甚至几十个核糖体串连在一 条条mRNAmRNA分子上高效地

24、进行肽链的合成分子上高效地进行肽链的合成, ,这种具这种具 有特殊功能与形态结构的多个核糖体与有特殊功能与形态结构的多个核糖体与mRNAmRNA 的聚合体称为多聚核糖体。的聚合体称为多聚核糖体。 2021/3/1327 n在蛋白质在蛋白质 合成过程合成过程 中中, ,同一同一 条条mRNAmRNA分分 子能够同子能够同 多个核糖多个核糖 体结合体结合, , 同时合成同时合成 若干条蛋若干条蛋 白质白质多肽多肽 链链, ,结合结合 在同一条在同一条 mRNAmRNA上的上的 核糖体就核糖体就 称为多聚称为多聚 核糖体核糖体 2021/3/1328 n在在mRNAmRNA的起始密码子部位的起始密码

25、子部位, ,核糖体亚基装配成核糖体亚基装配成 完整的起始复合物完整的起始复合物, ,然后向然后向mRNAmRNA的的3 3端移动端移动, ,直到直到 到达终止密码子处。当第一个核糖体离开起始密到达终止密码子处。当第一个核糖体离开起始密 码子后码子后, ,空出的起始密码子的位置足够与另一个核空出的起始密码子的位置足够与另一个核 糖体结合时糖体结合时, ,第二个核糖体的小亚基就会结合上来第二个核糖体的小亚基就会结合上来, , 并装配成完整的起始复合物并装配成完整的起始复合物, ,开始蛋白质的合成。开始蛋白质的合成。 同样同样, ,第三个核糖体、第四个核糖体、第三个核糖体、第四个核糖体、依次结依次结

26、 合到合到mRNAmRNA上形成多聚核糖体。根据电子显微照片上形成多聚核糖体。根据电子显微照片 推算推算, ,多聚核糖体中多聚核糖体中, ,每个核糖体间相隔约每个核糖体间相隔约8080个核个核 苷酸苷酸。 2021/3/1329 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细胞内各种多肽的合成, ,不论其分子不论其分子 量的大小或是量的大小或是mRNAmRNA的长短如何的长短如何, ,单位时间内单位时间内 所合成的多肽分子数目都大体相等。所合成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, , 对对mRNAmRNA的利用及对其浓

27、度的调控更为经济的利用及对其浓度的调控更为经济 和有效。和有效。 2021/3/1330 2021/3/1331 n一般说来一般说来, ,核糖体在细胞内远较核糖体在细胞内远较mRNAmRNA稳定稳定, ,可以可以 反复用来进行多肽的合成反复用来进行多肽的合成, ,而且核糖体本身的而且核糖体本身的 特异性小特异性小, ,同一核糖体由于同它结合的同一核糖体由于同它结合的mRNAmRNA不不 同同, ,可以合成不同种类的多肽。可以合成不同种类的多肽。 2021/3/1332 二、二、蛋白质的合成蛋白质的合成 n蛋白质的合成过程比较复杂蛋白质的合成过程比较复杂, ,由由核糖体、核糖体、mRNAmRNA

28、和携和携 带各种氨基酸的带各种氨基酸的tRNAtRNA、多种蛋白质因子多种蛋白质因子、以及、以及GTPGTP 等的共同完成等的共同完成, ,一般要经过一般要经过: : n起始起始 n延伸延伸 n终止终止 n三个阶段的反应三个阶段的反应, ,才能转译出多肽产物。才能转译出多肽产物。 2021/3/1333 翻译的起始翻译的起始 第一步第一步,mRNA,mRNA只能与细胞质中游离的核糖体只能与细胞质中游离的核糖体30S30S小亚小亚 基结合基结合, ,此时的结合部位是此时的结合部位是mRNAmRNA的起始密码子的起始密码子AUGAUG（如何识（如何识 别第一个别第一个AUGAUG是起始密码子。是起

29、始密码子。 第二步第二步, ,第一个氨酰第一个氨酰- tRNA- tRNA进入核糖体。当进入核糖体。当mRNAmRNA与小与小 亚基结合后亚基结合后, ,携带有甲酰甲硫氨酸的携带有甲酰甲硫氨酸的tRNAtRNA（fMet-tRNAfMet-tRNAfMet fMet） ） 通过反密码子与通过反密码子与mRNAmRNA上的起始密码上的起始密码AUGAUG识别并进入核糖识别并进入核糖 体体, ,入小亚基的入小亚基的P P位。位。 第三步第三步, ,一旦起始一旦起始tRNAtRNA与与AUGAUG密码子结合密码子结合, ,核糖体大核糖体大 亚基便与起始复合物结合亚基便与起始复合物结合, ,形成完整的

30、形成完整的70S70S复合物。该过复合物。该过 程伴随与程伴随与IF2IF2结合的结合的GTPGTP水解水解, ,释放翻译起始因子。释放翻译起始因子。 2021/3/1334 肽链的延伸肽链的延伸 n生成起始复合物生成起始复合物, ,第一个氨基酸（第一个氨基酸（fMet/Met-tRNAfMet/Met-tRNA）与核糖）与核糖 体结合以后体结合以后, ,肽链开始伸长。按照肽链开始伸长。按照mRNAmRNA模板密码子的排列模板密码子的排列, , 氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸 由许多循环组成由许多循环组成, ,每加一个氨基酸

31、就是一个循环每加一个氨基酸就是一个循环, ,每个循环每个循环 包括包括: : nAA-tRNAAA-tRNA进入核糖体进入核糖体A A位点位点 n肽键的生成肽键的生成 n移位移位 n脱脱- -氨酰氨酰tRNAtRNA的释放的释放 2021/3/1335 肽链的终止肽链的终止 n肽链的延伸过程中肽链的延伸过程中, ,当终止密码子当终止密码子UAAUAA、UAGUAG或或UGAUGA出现在核糖出现在核糖 体的体的A A位时位时, ,没有相应的没有相应的AA-tRNAAA-tRNA能与之结合能与之结合, ,而释放因子能识而释放因子能识 别这些密码子并与之结合别这些密码子并与之结合, ,水解水解P P位上多肽链与位上多肽链与tRNAtRNA之间的二之间的二 酯键。接着酯键。接着, ,新生的肽链和新生的肽链和tRNAtRNA从核糖体上释放从核糖体上释放, ,核糖体大、核糖体大、 小亚基解离小亚基解离, ,蛋白质合成结束。释放因子蛋白质合成结束。释放因子RFRF具有具有GTPGTP酶