第六章核糖体与核酶

1、第六章第六章 核糖体核糖体(ribosome)(ribosome)与核酶与核酶 核糖体的形态结构核糖体的形态结构核糖体的生物发生核糖体的生物发生核核糖体的功能糖体的功能蛋白质的合成蛋白质的合成反义反义RNARNA与核酶与核酶核糖体核糖体最早是最早是Albert Claude于于20世纪世纪30年代后期发现的年代后期发现的 核糖体核糖体(ribosome):是细胞内一种核糖核蛋白颗粒是细胞内一种核糖核蛋白颗粒核糖体核糖体:是细胞内蛋白质合成的分子机器是细胞内蛋白质合成的分子机器 内质网上的核糖体内质网上的核糖体6.1.1 核糖体的类型和化学组成核糖体的类型和化学组成6.1 核糖体的形态结构核糖体

2、的形态结构 核糖体的类型核糖体的类型 按存在的部位（三种）按存在的部位（三种）细胞质核糖体细胞质核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体叶绿体核糖体叶绿体核糖体 按存在生物类型（两种）按存在生物类型（两种）真核生物核糖体真核生物核糖体原核生物核糖体原核生物核糖体 核糖体的化学组成核糖体的化学组成核糖体核糖体RNAs(rRNAs) 核糖体蛋白核糖体蛋白(ribosomal proteins) 形态结构组成：形态结构组成：大亚基大亚基+小亚基小亚基不同角度观察的不同角度观察的E.coli 核糖体的三维结构核糖体的三维结构 不同类型核糖体的大小比较不同类型核糖体的大小比较来源来源完整核糖体完整核糖体核糖体亚基

3、核糖体亚基核糖体核糖体RNAs细胞质细胞质80S60S(大亚基大亚基)28S，5.8S，5S(真核生物真核生物) 40S(小亚基小亚基)18S，细胞质细胞质70S50S(大亚基大亚基)23S，5S(原核生物原核生物) 30S(小亚基小亚基)16S线粒体线粒体55-60S45S(大亚基大亚基)16S(哺乳动物哺乳动物) 35S(小亚基小亚基)12S线粒体线粒体75S53S(大亚基大亚基)21S(酵母酵母) 35S(小亚基小亚基)14S线粒体线粒体78S60S(大亚基大亚基)26S，5S(高等植物高等植物) 45S(小亚基小亚基)18S叶绿体叶绿体70S50S(大亚基大亚基)23S，5S 30S(

4、小亚基小亚基)16S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 Mg2+ 的浓度对于大小亚基的聚合和解离有很大的影响的浓度对于大小亚基的聚合和解离有很大的影响 Mg 2+浓度浓度10mmol/L： 形成完整的核糖体形成完整的核糖体6.1.2 核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与rRNA E.coli核糖体蛋白：核糖体蛋白：小亚基：小亚基：21种蛋白质，命种蛋白质，命名为名为S1S21大亚基：大亚基：34种蛋白质，命种蛋白质，命名为名为L1L33 E.coli小亚基小亚基21种蛋白质的排列种蛋白质的排列 6.1.3 细菌核糖体的结构模型细菌核糖体的结构模型 显示大亚基、小亚基中

5、核糖体蛋白质的位置，以及蛋白质合成过显示大亚基、小亚基中核糖体蛋白质的位置，以及蛋白质合成过程中程中mRNA在核糖体中的位置。在核糖体中的位置。 在活跃合成蛋白质的细胞中需要大量的核糖体，这在活跃合成蛋白质的细胞中需要大量的核糖体，这就需要大量的就需要大量的rRNA和和r蛋白质，如何满足？蛋白质，如何满足？通过两种方式扩大通过两种方式扩大rRNA基因的拷贝数：基因的拷贝数： 在染色体上增加在染色体上增加rRNA基因的拷贝数基因的拷贝数; 通过通过基因扩增基因扩增(gene amplification)：方式是增方式是增加细胞核数量加细胞核数量6.2 6.2 核糖体的生物发生核糖体的生物发生(b

6、iogenesis)(biogenesis)核糖体的生物发生包括：核糖体的生物发生包括： rRNA的合成的合成 核糖体蛋白的合成核糖体蛋白的合成 核糖体大小亚基的装配核糖体大小亚基的装配6.2.1 6.2.1 核糖体核糖体rRNArRNA基因的转录与加工基因的转录与加工非洲爪蟾卵母细胞中非洲爪蟾卵母细胞中rRNA的合成的合成 真核生物真核生物18S、5.8S、28S rRNA和和5SrRNA基因基因18S、5.8S、28S rRNA基因转录与加工基因转录与加工：三：三者位于一条染色体上，串联在一起转录。属者位于一条染色体上，串联在一起转录。属核仁内基因。核仁内基因。 人的分布在人的分布在13、

7、14、15、21、22号染色号染色体上体上5rRNA基因位于不同的染色体上，在人的基因位于不同的染色体上，在人的1号染色体末端。是由核仁以外的染色体基因号染色体末端。是由核仁以外的染色体基因转录。转录。原核生物原核生物中中5rRNA 与23rRNA 和16rRNA组组成一个转录单位成一个转录单位6.2.2 核糖体的装配核糖体的装配E.coli 小亚基的装配图小亚基的装配图核糖体是自我装配的细胞器核糖体是自我装配的细胞器真核真核生物装配地点：核仁中生物装配地点：核仁中原核原核生物装配地点：细胞质中生物装配地点：细胞质中核糖体蛋白的组装有先后顺序核糖体蛋白的组装有先后顺序人细胞中核糖体装配的主要过

8、程人细胞中核糖体装配的主要过程 真核生物核糖体在核仁中装配真核生物核糖体在核仁中装配6.3 核核糖体的功能糖体的功能蛋白质的合成蛋白质的合成 蛋白质合成，或称蛋白质合成，或称mRNA翻译是细胞中最复杂的合成活动翻译是细胞中最复杂的合成活动蛋白质的合成需要携带氨基酸的各种蛋白质的合成需要携带氨基酸的各种tRNA、核糖体、核糖体、 mRNA、不同功、不同功 能的蛋白质、阳离子、能的蛋白质、阳离子、GTP等的参与等的参与蛋白质的合成，是蛋白质的合成，是三种不同类型的三种不同类型的RNA通力合作的结果通力合作的结果 6.3.1 核糖体的功能位点核糖体的功能位点 原核生物核糖体中有四种与原核生物核糖体中

9、有四种与RNA分子结合的位点，一个分子结合的位点，一个是与是与mRNA结合的位点，另三结合的位点，另三个是与个是与tRNA结合的位点结合的位点 ： mRNA结合位点结合位点 A位点位点(A site) ：氨酰基位点，：氨酰基位点，与新掺入与新掺入tRNA结合位点结合位点 P位点位点(P site)：肽酰：肽酰tRNA，肽链延生位点肽链延生位点 E 位点位点(exit site ，E site)：脱：脱氨酰氨酰tRNA，释放肽链，释放肽链 RNA在蛋白质合成中的三种作用在蛋白质合成中的三种作用 6.3.2 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程蛋白质合成的三个蛋白质合成的三个主要过程：主要过程： 链的

10、起始链的起始链的延伸链的延伸链的终止链的终止 蛋白质合成的三个主要过程蛋白质合成的三个主要过程 蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始 30S亚基与亚基与mRNA的结合的结合 完整起始复合物的装配完整起始复合物的装配 第一个第一个fMet-tRNA(反密码子反密码子UAC)进入核糖体进入核糖体:与启示密码子与启示密码子AUG结合结合 多肽链的延伸多肽链的延伸(elongation)(elongation)氨酰氨酰tRNA进入核糖体的进入核糖体的A位点；位点；肽键形成；肽键形成；转位转位;脱氨酰脱氨酰tRNA释放释放此过程需要此过程需要GTP和延生和延生因子的参与因子的参与 链的终止链的终止(term

11、ination)(termination) 蛋白质合成的终止是指核糖体沿着蛋白质合成的终止是指核糖体沿着mRNA移动，如果移动，如果进入进入A位的是位的是终止密码子终止密码子，由于没有与之匹配的反密码子，由于没有与之匹配的反密码子识别，而由释放因子识别，而由释放因子RF识别密码子识别密码子,而终止蛋白质的合成。而终止蛋白质的合成。一共有三种终止密码子一共有三种终止密码子:UAA、UAG、UGA 概念概念：在蛋白质合成过程中，同一条：在蛋白质合成过程中，同一条mRNA分子能够同分子能够同多个核糖体结合，同时合成若干条蛋白质多肽链，结合在多个核糖体结合，同时合成若干条蛋白质多肽链，结合在同一条同一

12、条mRNA上的核糖体就称为多聚核糖体上的核糖体就称为多聚核糖体(polysome 或或polyribosomes ）。）。6.3.3 多聚核糖体多聚核糖体(polyribosomes) 电子显微镜观察的多聚核糖体电子显微镜观察的多聚核糖体 多聚核糖体的形成多聚核糖体的形成在在mRNA的起始密码子部位，核糖体亚基装配成完整的起始复合物，然的起始密码子部位，核糖体亚基装配成完整的起始复合物，然后向后向mRNA的的3端移动，直到到达终止密码子处端移动，直到到达终止密码子处多聚核糖体中，每个核糖体间相隔约多聚核糖体中，每个核糖体间相隔约80个核苷酸个核苷酸 多聚核糖体与蛋白质合成多聚核糖体与蛋白质合成

13、 ：同一条：同一条mRNA被多个被多个核糖体同时翻译出多条蛋白质大大提高了蛋白质合成核糖体同时翻译出多条蛋白质大大提高了蛋白质合成的速率，也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力的速率，也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力多聚核糖体形成的意义何在多聚核糖体形成的意义何在? 同一条同一条mRNA被多个核糖体同时翻译成蛋白质，大大提高了蛋白质合被多个核糖体同时翻译成蛋白质，大大提高了蛋白质合成的速率；成的速率；减轻了细胞核的负荷，减轻了细胞核的负荷， 减少了基因的拷贝数，减少了基因的拷贝数， 也减轻了细胞核进行也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力。基因转录和加工的压力。 6.3.4 蛋白质合成抑

14、制剂蛋白质合成抑制剂嘌呤霉素嘌呤霉素：有类似于起始：有类似于起始tRNA的结构，可同核糖体的的结构，可同核糖体的A位位点结合，并掺入到生长的肽链中，但不能参与后续反应，同点结合，并掺入到生长的肽链中，但不能参与后续反应，同样终止肽链合成。样终止肽链合成。抗生素抗生素：是主要的蛋白质合成抑制剂，如氯霉素、链：是主要的蛋白质合成抑制剂，如氯霉素、链霉素等霉素等 链霉素可引起起始链霉素可引起起始tRNA与非起始与非起始tRNA与核糖体的与核糖体的结合，导致肽链合成提前终止；也可引起遗传密码错读结合，导致肽链合成提前终止；也可引起遗传密码错读 蛋白质的寿蛋白质的寿命信号命信号N-端规则端规则(N-en

15、d rule): 每一种蛋白质每一种蛋白质都有寿命特征，都有寿命特征， 称为半衰期称为半衰期(half-life)。研究发现。研究发现多肽链多肽链N-端端特异特异的氨基酸与半衰的氨基酸与半衰期相关，称为期相关，称为N-端规则端规则6.3.5 蛋白质的寿命与降解蛋白质的寿命与降解末端氨基末端氨基酸残基酸残基半衰期半衰期末端氨基端末端氨基端残基残基半衰期半衰期Arg2 minIle30 min Lys3 minGlu30 min Phe3 minPro5 hr Leu3 minCys30 hr Trp3 minAla30 hr His3 minSer30 hr Asp3 min Thr30 hr

16、Asn3 minGly30 hrTyr10 minVal30 hr Gln10 minMet30 hr裂殖酵母中裂殖酵母中N-端氨基酸对蛋白质半衰期的影响端氨基酸对蛋白质半衰期的影响 蛋白酶体对蛋白质的降解蛋白酶体对蛋白质的降解蛋白酶体对蛋白质的降解通过蛋白酶体对蛋白质的降解通过泛素泛素(ubiquitin)介导介导,故故称为泛素降解途径称为泛素降解途径蛋白酶体：蛋白酶体：存在于细胞核和细存在于细胞核和细胞质中，圆桶状，中空，酶活胞质中，圆桶状，中空，酶活性在圆桶内室性在圆桶内室降解蛋白质类型：降解蛋白质类型：错误折叠的蛋白质错误折叠的蛋白质进行数量调控的蛋白质进行数量调控的蛋白质泛素：泛素：又称遍在蛋白，由又称遍在蛋白，由76个氨基酸个氨基酸组成的小肽，作用是对被降解组成的小肽，作用是对被降解蛋白质进行标记，送入蛋白酶蛋白质进行标记，送入蛋白酶体中体中6.4 反义反义RNA与与核酶核酶(ribozyme)小分子小分子RNA与反义与反义RNA核酶核酶(ribozyme)内含子的切除内含子的切除: 核酶的作用机理核酶的作用机理 RNA编辑编辑(RNA editing)6.4.1 小分子小分子RNA与反义与反义RNA 小分子小分子RNA的类型的类型一类是一类是snRNA(small nuclear RNA)，存在于，存在于细胞核中；细胞核中；另一类是另一类是s