细胞生物学 11-核糖体ppt课件

1、第十一章第十一章 核糖体核糖体(ribosome)(ribosome)核糖体核糖体 (ribosome) 是核糖核是核糖核蛋白体的简称，是合成蛋白质的蛋白体的简称，是合成蛋白质的细胞元件，其独一的功能就是按细胞元件，其独一的功能就是按照照mRNA的指令由氨基酸高效且的指令由氨基酸高效且准确地合成出多肽链。准确地合成出多肽链。第十一章第十一章 核糖体核糖体(ribosome)(ribosome) 核糖体的根本类型核糖体的根本类型 多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体与蛋白质的合成作业作业第一节第一节 核糖体的根本类型核糖体的根本类型 类型与组成成分类型与组成成分 核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与 rR

2、NA的功能分析的功能分析一、核糖体的根本类型与成分一、核糖体的根本类型与成分 根本类型根本类型 附着核糖体附着核糖体 游离核糖体游离核糖体 70S的核糖体的核糖体 80S的核糖体的核糖体 主要成分主要成分 r-protein: 40%，核糖体外表，核糖体外表 rRNA: 60%，核糖体内部，核糖体内部游离于细胞质还是附着于游离于细胞质还是附着于ER存在于原核细胞还是真核细胞存在于原核细胞还是真核细胞Free and membrane-bound ribosomesComparison of ribosome structures: E.coli 70S (upper row in each p

3、anel, structure from 18,19) and yeast 80S (lower row in each panel) ribosomes, both limited to 35 resolution. (AJ) Rotational series, with a rotational increment around the vertical axis of 36. Scale bar 100 . (K) Exploded views of E.coli and yeast ribosomes, showing close correspondence of features

4、 of interface surfaces of ribosomal subunits, most notably the interface canyon (IC). CP, central protuberance; S, stalk; L1 or L1, L1 or L1 analog arm; h, head; g, neck groove; p, platform. Note that the lower right portion of the small subunit and the lower left portion of the large subunit are su

5、rfaces where the sectioning plane has cut a mass that is merged between the two subunits at this resolution. (adapted from Nucleic Acids Research, 2019, 26(2):655-661)Comparison of Ribosomal Components between Prokaryotes and EukaryotesspeciesribosomesubunitrRNAr-protein bacterium70S;相对分子量：2.5106;66

6、%RNA.50S 23S=2904 bp 5S=120 bp 3130S 16S=1542 bp 21 mammalian80S;相对分子量：4.2106;60%RNA.60S 28S=4718 bp5.8S=160 bp 5S=120 bp 4940S 18S=1874 bp 33核糖体的构造核糖体的构造 构造与功能的分析方法构造与功能的分析方法 蛋白质合成过程中很多重要步蛋白质合成过程中很多重要步骤与骤与 50S 核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关构造与功能的分析方法构造与功能的分析方法离子交换树脂可分别纯化各种离子交换树脂可分别纯化各种 r 蛋白；蛋白；纯化的纯化的 r 蛋白与纯化的蛋

7、白与纯化的rRNA进展核糖体的重组装，显进展核糖体的重组装，显示核糖体中示核糖体中 r 蛋白与蛋白与rRNA的构造关系的构造关系双向电泳技术可显示出双向电泳技术可显示出 E. coli 核糖体在装配各阶段中，核糖体在装配各阶段中，与与rRNA结合的蛋白质的类型结合的蛋白质的类型双功能的交联剂和双向电泳分别可用于研讨双功能的交联剂和双向电泳分别可用于研讨 r 蛋白在构蛋白在构造上的相互关系造上的相互关系电镜负染色与免疫标志技术结合，研讨电镜负染色与免疫标志技术结合，研讨 r 蛋白在核糖体蛋白在核糖体的亚单位上的定位。的亚单位上的定位。对对rRNA，特别是对，特别是对16S rRNA构造的研讨构造

8、的研讨70S核糖体的小亚单位中核糖体的小亚单位中rRNA与全部的与全部的 r 蛋白关系的空蛋白关系的空间模型间模型同终身物中不同种类的同终身物中不同种类的 r 蛋白的一级构蛋白的一级构造均不一样，在免疫学上几乎没有同源造均不一样，在免疫学上几乎没有同源性。性。不同生物同一种类不同生物同一种类 r 蛋白之间具有很高蛋白之间具有很高的同源性，的同源性， 并在进化上非常保守。并在进化上非常保守。 E. coli (a) 核糖体小亚单位中的部分核糖体小亚单位中的部分r蛋白与蛋白与rRNA的结合位点的结合位点 (b) 及其在小亚单位上的部位及其在小亚单位上的部位蛋白质结合到蛋白质结合到rRNA上具有先后

9、层次性；上具有先后层次性；核糖体的重组装是自我装配过程。核糖体的重组装是自我装配过程。E. Coli 核糖体小亚单位中核糖体小亚单位中rRNA与与 r 蛋白的相互关系表示图蛋白的相互关系表示图线条表示相互作用及作用力的强粗线与弱细线线条表示相互作用及作用力的强粗线与弱细线引自引自Alberts et al, 1989 16S rRNA的一级构造是非常保守的；的一级构造是非常保守的； 16S rRNA的二级构造具有更高的保守性：的二级构造具有更高的保守性： 臂环构造臂环构造 (stem-loop structure) rRNA臂环构造的三级构造模型。臂环构造的三级构造模型。 核糖体小亚单位核糖体

10、小亚单位rRNA的二级构造的二级构造 (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个臂环构造图中个臂环构造图中140，其长度和位置往，其长度和位置往 往非常保守；往非常保守；P、E分别代表仅在原核或真核细胞中存在的分别代表仅在原核或真核细胞中存在的rRNA的二级构造。的二级构造。蛋白质合成过程中很多重蛋白质合成过程中很多重要步骤与要步骤与50S核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关涉及的多数因子为涉及的多数因子为G蛋白具有蛋白具有GTPase活性，核糖体活性，核糖体上与之相关位点称为上

11、与之相关位点称为GTPase相关位点。相关位点。最近人们胜利地制备最近人们胜利地制备L11-rRNA复合物的晶体，获得了复合物的晶体，获得了其空间构造高分辨率的三维图象。其空间构造高分辨率的三维图象。 这一结果证明了前人用各种实验所获得的种种结论。这一结果证明了前人用各种实验所获得的种种结论。 提出直观、可靠而且比人们的预料更为精巧复杂和能提出直观、可靠而且比人们的预料更为精巧复杂和能够的作用机制，从而为揭开核糖体这一具有够的作用机制，从而为揭开核糖体这一具有30多亿年历多亿年历史的、古老的、高度而复杂的分子机器的运转奥妙迈出史的、古老的、高度而复杂的分子机器的运转奥妙迈出了极重要的一步。了极

12、重要的一步。L11-rRNA 复复 合合 物物 的的 三三 维维 结结 构构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与 rRNA 的功能分析的功能分析 核糖体上具有一系列与蛋白质合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在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研讨性研讨 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与与mRNA的结合位点；的结合位点；与新掺入的氨酰与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点的结合位点 氨酰基氨酰基位点，又称位点，又称A位点；位点；与延伸中的肽酰与延伸中

13、的肽酰-tRNA的结合位点的结合位点 肽酰基肽酰基位点，又称位点，又称P位点；位点；肽酰转移后与即将释放的肽酰转移后与即将释放的tRNA的结合位点的结合位点 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；肽酰转移酶的催化位点；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。终止因子的结合位点。(a) Important Binding Sites on the Prokaryotic Ribo

14、someThis model of ribosome structure shows the A (aminoacyl) and P (peptidyl) sites as cavities on the ribosome where charged (amino acid-carrying) tRNA molecules bind during polypeptide synthesis. The more recently postulated E (exit) site is the site from which discharged tRNAs leave the ribosome.

15、 The mRNA-binding site binds a particular nucleotide sequence near the 5 end of the mRNA, placing the mRNA in the proper position for the translation of its first codon. (a) The diagrammatic representation of a ribosome. The pair of horizontal dashed lines indicate where the mRNA molecule lies. (b)

16、A more realistic representation. The binding sites are all located at or near the interface between the large and small subunits. (b)在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研讨在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研讨 核糖体蛋白核糖体蛋白 在核糖体中在核糖体中rRNA是起主是起主要作用的构呵斥分要作用的构呵斥分 r 蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能核糖体蛋白核糖体蛋白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中核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋

17、中核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白质合成并没有表现出白质合成并没有表现出“全或全或“无的影响。无的影响。多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株，并非由于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蛋白的基因突变而往往是 rRNA基因突变。基因突变。在整个进化过程中在整个进化过程中rRNA的构造比核糖体蛋白的构造比核糖体蛋白的构造具有更高的保守性。的构造具有更高的保守性。在核糖体中在核糖体中rRNA是起主要作用的构呵斥分是起主要作用的构呵斥分 具有肽酰转移酶的活性；具有肽酰转移酶的活性； 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

18、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选择性地选择性地结合以及在肽链的延伸中与结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(proof reading)、无意义链或框架漂移的校正、以、无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都与及抗菌素的作用等都与rRNA有关。有关。r 蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能对对rRNA 折叠成有功能的三维构造是非常重折叠成有功能的三维构造是非常重要的；要的；在蛋白质合成中在蛋白质合成中, 某些某些r蛋白能够对核糖体蛋白能够对核糖体的

19、构象起的构象起“微调作用；微调作用；在核糖体的结合位点上甚至能够在催化作在核糖体的结合位点上甚至能够在催化作用中用中, 核糖体蛋白与核糖体蛋白与rRNA共同行使功能。共同行使功能。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 多聚核糖体多聚核糖体 (polyribosome or polysome) 蛋白质的合成蛋白质的合成 (synthesis of the protein) RNA在生命来源中的位置及其演化过程在生命来源中的位置及其演化过程一、多聚核糖体一、多聚核糖体(polyribosome or polysome)细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大小或是细胞内各种

20、多肽的合成，不论其分子量的大小或是mRNA的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等。数目都大体相等。以多聚核糖体的方式进展多肽合成，对以多聚核糖体的方式进展多肽合成，对mRNA的利的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。用及对其浓度的调控更为经济和有效。概念概念 核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而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是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高分子上高效地进展肽链的合成，这种具有特殊功能与形状构造效地进展肽链的合成，这种具有特殊功能与形状构造的核糖体与的核糖体与

21、mRNA的聚合体称为多聚核糖体。的聚合体称为多聚核糖体。多聚核糖体的生物学意义多聚核糖体的生物学意义Visualizing transcription and translation(a)(b)LargesubunitSmallsubunitmRNALargesubunitSmallsubunitCompletedpolypeptide(a)(b)(c) Polyribosomes(a) Schematic drawing of a polyribsome (polysome). (b) Electron micrograph of a grazing section through the

22、outer edge of a rough ER cisterna. The ribosomes are aligned in loops and spirals, indicating their attachment to mRNA molecules to form polysomes. (c) Electron micrograph of metal-shadowed polysomes isolated from reticulocytes engaged in hemoglobin synthesis. Most of these polysomes have between fo

23、ur and six ribosomes. mRNA+In step 1, initiation of translation begins with the association of the 30S ribosomal subunit with the mRNA at the AUG initiation codon, a step that requires IF1 and IF3. The 30S ribosomal subunit binds to the mRNA at the AUG initiation codon as the result of an interactio

24、n between a complementary nucleotide sequence on the rRNA and mRNA. In step 2, a ternary (three-membered) complex consisting of formylmethionyl-tRNA-IF2-GTP becomes associated with the mRNA-30S ribosomal subunit complex accompanied by the release of IF3. In step 3, the 50S subunit joins the complex

25、with the accompanying release of IF1, IF2, and the products of GTP hydrolysis (GDP and Pi). The initiation of protein synthesis in prokaryotes(a)(b)Steps in the elongation of the nascent polypeptide during translation in prokaryotes(a) In step 1, an aminoacyl-tRNA whose anticodon is complementary to

26、 the second codon of the mRNA enters the empty A site of the ribosome. The binding of the tRNA is accompanied by the release of GDP-Tu. In step 2, peptide bond formation is accomplished by the transfer of the nascent polypeptide chain from the tRNA in the P site to the aminoacyl-tRNA of th A site, f

27、orming a peptidyl-tRNA in the A site and a deacylated tRNA in the P site. The reaction is catalyzed by a part of the 28S rRNA acting as a ribosome. In step 3, the binding of factor G and the hydrolysis of its associated GTP results in the translocation of the ribosome relative to the mRNA. Transloca

28、tion is accompanied by the movement of the deacylated tRNA and peptidyl-tRNA into the E and P sites, respectively. In step 4, the deacylated tRNA leaves the ribosome, and a new aminoacyl-tRNA enters the A site. (b) Peptide bond formation and the subsequent displacement of the deacylated tRNA. 三、三、RN

29、A在生命来源中的位置及其演化过程在生命来源中的位置及其演化过程 生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系 DNA替代了替代了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Evolution of RNAs that can direct Protein synthesisEvolution of newenzymes that createand make RNAcopies from itQuestion Discussing the following: During the evolution of life on the earth,

30、 RNA has been demoted from its glorious position as the first self-replicating catalyst. Its rolenow is as a mere messenger in the information flow from DNA to protein. 生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系三种生物大分子，只需三种生物大分子，只需RNA既具有信息既具有信息载体功能又具有酶的催化功能。因此，载体功能又具有酶的催化功能。因此，推测推测RNA能够是生命来源中最早的生物能够是生命来源中最早的生物大分子；大分子；核酶核

31、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。RibosomeSubstrateRNAbase pairing between ribozymeand substrateSubstrate cleavageSubstrate releasecleaved RNAribozymeDNA替代了替代了RNA的遗传信息功能的遗传信息功能 DNA双链比双链比RNA单链稳定；单链稳定； DNA链中胸腺嘧啶替代了链中胸腺嘧啶替代了RNA链链中的尿嘧啶，使之易于修复。中的尿嘧啶，使之易于修复。蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能酶的功能蛋白质化学构造的多样性与构象的蛋白质化学构造的多样性与构象的多变性；多变性；