细胞生物学11核糖体课件

第十一章核糖体(ribosome)核糖体(ribosome)是核糖核蛋白体的简称，是合成蛋白质的细胞元件，其唯一的功能就是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成出多肽链。第十一章核糖体(ribosome)

核糖体的基本类型

多聚核糖体与蛋白质的合成作业第一节核糖体的基本类型

类型与组成成分

核糖体蛋白质与

rRNA的功能分析Freeandmembrane-boundribosomesComparisonofribosomestructures:E.coli70S(upperrowineachpanel,structurefrom18,19)andyeast80S(lowerrowineachpanel)ribosomes,bothlimitedto35Åresolution.(A–J)Rotationalseries,witharotationalincrementaroundtheverticalaxisof36.Scalebar100Å.(K)ExplodedviewsofE.coliandyeastribosomes,showingclosecorrespondenceoffeaturesofinterfacesurfacesofribosomalsubunits,mostnotablytheinterfacecanyon(IC).CP,centralprotuberance;S,stalk;L1or‘L1’,L1orL1analogarm;h,head;g,neckgroove;p,platform.Notethatthelowerrightportionofthesmallsubunitandthelowerleftportionofthelargesubunitaresurfaceswherethesectioningplanehascutamassthatismergedbetweenthetwosubunitsatthisresolution.(adaptedfromNucleicAcidsResearch,1998,26(2):655-661)核糖体的结构

结构与功能的分析方法

蛋白质合成过程中很多重要步骤与

50S

核糖体大亚单位相关结构与功能的分析方法离子交换树脂可分离纯化各种

r

蛋白；纯化的

r

蛋白与纯化的rRNA进行核糖体的重组装，显示核糖体中

r

蛋白与rRNA的结构关系双向电泳技术可显示出

E.

coli

核糖体在装配各阶段中，与rRNA结合的蛋白质的类型双功能的交联剂和双向电泳分离可用于研究

r

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，研究

r

蛋白在核糖体的亚单位上的定位。对rRNA，特别是对16SrRNA结构的研究70S核糖体的小亚单位中rRNA与全部的

r

蛋白关系的空间模型同一生物中不同种类的r蛋白的一级结构均不相同，在免疫学上几乎没有同源性。不同生物同一种类r蛋白之间具有很高的同源性，并在进化上非常保守。

蛋白质结合到rRNA上具有先后层次性；核糖体的重组装是自我装配过程。E.Coli核糖体小亚单位中rRNA与r蛋白的相互关系示意图线条表示相互作用及作用力的强（粗线）与弱（细线）（引自Albertsetal,1989）

16SrRNA的一级结构是非常保守的；16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：

臂环结构(stem-loopstructure)

rRNA臂环结构的三级结构模型。

蛋白质合成过程中很多重

要步骤与50S核糖体大亚单位相关涉及的多数因子为G蛋白（具有GTPase活性），核糖体上与之相关位点称为GTPase相关位点。最近人们成功地制备L11-rRNA复合物的晶体，获得了其空间结构高分辨率的三维图象。这一结果证实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可能的作用机制，从而为揭开核糖体这一具有30多亿年历史的、古老的、高度而复杂的分子机器的运转奥秘迈出了极重要的一步。L11-rRNA复合物的三维结构二、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(a)ImportantBindingSitesontheProkaryoticRibosomeThismodelofribosomestructureshowstheA(aminoacyl)andP(peptidyl)sitesascavitiesontheribosomewherecharged(aminoacid-carrying)tRNAmoleculesbindduringpolypeptidesynthesis.ThemorerecentlypostulatedE(exit)siteisthesitefromwhichdischargedtRNAsleavetheribosome.ThemRNA-bindingsitebindsaparticularnucleotidesequencenearthe5’endofthemRNA,placingthemRNAintheproperpositionforthetranslationofitsfirstcodon.(a)Thediagrammaticrepresentationofaribosome.ThepairofhorizontaldashedlinesindicatewherethemRNAmoleculelies.(b)Amorerealisticrepresentation.Thebindingsitesarealllocatedatorneartheinterfacebetweenthelargeandsmallsubunits.(b)核糖体蛋白很难确定哪一种蛋白具有催化功能：在E.coli中核糖体蛋白突变甚至缺失对蛋白质合成并没有表现出“全”或“无”的影响。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rRNA基因突变。在整个进化过程中rRNA的结构比核糖体蛋白的结构具有更高的保守性。在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分具有肽酰转移酶的活性；为tRNA提供结合位点（A位点、P位点和E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mRNA选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合；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、以及抗菌素的作用等都与rRNA有关。一、多聚核糖体

(polyribosomeorpolysome)细胞内各种多肽的合成，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数目都大体相等。以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。概念

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mRNA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mRNA的聚合体称为多聚核糖体。多聚核糖体的生物学意义Visualizingtranscriptionandtranslation(a)(b)LargesubunitSmallsubunitmRNALargesubunitSmallsubunitCompletedpolypeptide(a)(b)(c)Polyribosomes(a)Schematicdrawingofapolyribsome(polysome).(b)ElectronmicrographofagrazingsectionthroughtheouteredgeofaroughERcisterna.Theribosomesarealignedinloopsandspirals,indicatingtheirattachmenttomRNAmoleculestoformpolysomes.(c)Electronmicrographofmetal-shadowedpolysomesisolatedfromreticulocytesengagedinhemoglobinsynthesis.Mostofthesepolysomeshavebetweenfourandsixribosomes.mRNA+①②③Instep1,initiationoftranslationbeginswiththeassociationofthe30SribosomalsubunitwiththemRNAattheAUGinitiationcodon,astepthatrequiresIF1andIF3.The30SribosomalsubunitbindstothemRNAattheAUGinitiationcodonastheresultofaninteractionbetweenacomplementarynucleotidesequenceontherRNAandmRNA.Instep2,aternary(three-membered)complexconsistingofformylmethionyl-tRNA-IF2-GTPbecomesassociatedwiththemRNA-30SribosomalsubunitcomplexaccompaniedbythereleaseofIF3.Instep3,the50SsubunitjoinsthecomplexwiththeaccompanyingreleaseofIF1,IF2,andtheproductsofGTPhydrolysis(GDPandPi).Theinitiationofproteinsynthesisinprokaryotes(a)(b)Stepsintheelongationofthenascentpolypeptideduringtranslationinprokaryotes(a)Instep1,anaminoacyl-tRNAwhoseanticodoniscomplementarytothesecondcodonofthemRNAenterstheemptyAsiteoftheribosome.ThebindingofthetRNAisaccompaniedbythereleaseofGDP-Tu.Instep2,peptidebondformationisaccomplishedbythetransferofthenascentpolypeptidechainfromthetRNAinthePsitetotheaminoacyl-tRNAofthAsite,formingapeptidyl-tRNAintheAsiteandadeacylatedtRNAinthePsite.Thereactioniscatalyzedbyapartofthe28SrRNAactingasaribosome.Instep3,thebindingoffactorGandthehydrolysisofitsassociatedGTPresultsinthetranslocationoftheribosomerelativetothemRNA.TranslocationisaccompaniedbythemovementofthedeacylatedtRNAandpeptidyl-tRNAintotheEandPsites,respectively.Instep4,thedeacylatedtRNAleavestheribosome,andanewaminoacyl-tRNAenterstheAsite.(b)PeptidebondformationandthesubsequentdisplacementofthedeacylatedtRNA.

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

DNA代替了RNA的遗传信息功能

蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能EvolutionofRNAsthatcandirectProteinsynthesisEvolutionofnewenzymesthatcreateandmakeRNAcopiesfromitQuestionDiscussingthefollowing:Duringtheevolutionoflifeontheearth,RNAhasbeendemotedfromitsgloriouspositionasthefirstself-replicatingcatalyst.ItsrolenowisasameremessengerintheinformationflowfromDNAtoprotein.生命是自我复制的体系三种生物大分子，只有RNA既具有信息载体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；核酶(ribosome)：具有催化作用的RNA；由RNA催化产生了蛋白质。RibosomeSubstrateRNAbasepairingbetweenribozymeandsubstrateSubstratecleavageSubstratereleasecleavedRNAribozymeDNA代替了RNA的遗传信息功能DNA双链比RNA单链稳定；DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧啶，使之易于修复。蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；与RNA相比，蛋白质能更为有效地催化多种生化反应，并提供更为复杂的细胞结构成分，逐渐演化成今天的细胞。

作业P383／思考题：２；４。Thankyou!Schematicrepresentationofthedifferentcellulareventsthroughwhichalteredribosomebiogenesismightcontributetoneoplastict