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文档简介
细胞生物学(第5版)主编
丁明孝
王喜忠张传茂
陈建国
第10章核糖体1953年Robinsin等用电镜观察植物细胞时发现了这种颗粒结构1955年Palade在动物细胞中也观察到类似的结构1958年Roberts建议把这种颗粒结构命名为核糖核蛋白体,简称核蛋白体或核糖体(ribosome)核糖体是合成蛋白质的细胞器,其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链仅发现在哺乳动物成熟的红细胞等极个别高度分化的细胞内没有核糖体,线粒体和叶绿体中也含有核糖体。核糖体是细胞最基本的不可缺少的结构。核糖体是一种不规则颗粒状的结构,其主要成分是RNA和蛋白质,直径约25nm
核糖体蛋白分子主要分布在核糖体表面,核糖体RNA(rRNA)位于内部,二者靠共价键结合在一起。附着核糖体:附着在内质网膜表面或原核细胞的质膜内侧(外运蛋白)游离核糖体:分布在细胞质基质内(胞内蛋白)结构与化学组成完全相同,但合成的蛋白种类不同第一节核糖体的类型与结构一、核糖体的基本类型与化学组成二、核糖体的结构三、核糖体蛋白质与rRNA的功能一、核糖体的基本类型与化学组成
-原核细胞核糖体,70S核糖体,线粒体和叶绿体(近似70S)
-真核细胞核糖体,80S核糖体基本类型均由大小不同的两个亚单位(subunit)构成70S核糖体,相对分子质量2500×103,Mg2+浓度增加,形成100S的二聚体,反之,离解为50S与30S的大小亚80S核糖体,相对分子质量4200×103,Mg2+浓度增加,形成120S的二聚体,反之,离解为60S与40S的大小亚单位大、小亚单位只在合成蛋白质时才结合在一起——小亚单位与mRNA结合,再与大亚单位结合表面有三个tRNA的70S核糖体蓝色为50S亚基紫色为30S亚基P位点
E位点A位点二、核糖体的结构rRNA:构成核糖体的核心,决定其形态。蛋白质:位于核糖体的表面或填充rRNA之间的空隙,微调核糖体的结构。对核糖体高分辨率的X射线衍射图谱分析表明:1.每个核糖体含有4个RNA分子的结合位点,其中1个位点供mRNA结合,3个位点供tRNA结合,分别为A,P和E位点。这些位点横跨核糖体大小亚基结合面。2.在核糖体大小亚基结合面,特别是mRNA和tRNA结合处,无核糖体蛋白分布。这也意味着在核糖体起源之初可能仅由RNA组成。大肠杆菌70S完整核糖体X射线晶体学结构4.核糖体蛋白质大多具有一个球形结构域和伸展的尾部。球形结构域分布在核糖体表面,伸展的多肽链尾部则伸入核糖体内折叠的rRNA分子中。3.催化肽键形成的活性位点由RNA组成。大肠杆菌70S完整核糖体X射线晶体学结构核糖体RNA(16SrRNA结构研究积累丰富资料)16SrRNA的一级结构是非常保守的,某些序列完全一致。二级结构具有更高的保守性,折叠成相似的二级结构——约含40个臂环结构(stem-loopstructure),其中46%的碱基配对,双螺旋区(臂)一般小于8bp。推测有4个结构域。三、核糖体蛋白质与rRNA的功能①mRNA的结合位点—
mRNA与小亚基结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原核生物:核糖体与mRNA的结合位点位于16SrRNA的3’端,位于起始密码子上游5~10bp处(SD序列——mRNA有一段特殊的Shine-Dalgarno序列)。真核生物:核糖体小亚基与mRNA的结合依赖mRNA5’端甲基化帽子结构。②A位点新掺入的氨酰-tRNA的结合位点即氨酰基位点,主要在大亚基上,是接受氨酰基-tRNA的部位
③P位点延伸中的肽酰-tRNA的结合位点,即肽酰基位点。主要在小亚基上,是释放tRNA的部位。
④E位点(肽酰转移后即将释放的tRNA的结合位点。位于大亚基上,催化氨基酸间形成肽键,使肽链延长。
⑤肽酰tRNA从A位点转移到P位点相关转移酶(即延伸因子EF-G)的结合位点。EF-Tu、EF-G的一部分结合位点位于A位点和P位点的底部。⑥肽酰转移酶的催化位点,跨过A位点和P位点⑦蛋白质合成相关的其他起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点。EF-Tu-GTP的功能是与氨酰-tRNA结合,将其带到A位点核糖体的活性部位及其作用rRNA的主要功能①具有肽酰转移酶的活性.②为tRNA提供结合位点(A位点、P位点和E位点).③为多种蛋白质合成因子提供结合位点.④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.⑤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。第二节多聚核糖体与蛋白质的合成
一、多核糖体二、蛋白质的合成三、核糖体与RNA世界多核糖体模式图一、多核糖体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。多聚核糖体所包含的核糖体数量由mRNA的长度来决定,相邻的核糖体间约80个核苷酸的距离二、蛋白质的合成
又称蛋白质的翻译,是细胞中最复杂、最精确的生命活动之一。蛋白质合成需要各种携带氨基酸的tRNA、核糖体、mRNA、多种蛋白质因子、阳离子及GTP等的参与起始(Initiation)包括核糖体与mRNA结合,形成起始复合物,其中含有第一个氨酰-tRNA。延伸(Elongation)包括从第一个肽键形成到最后一个氨基酸掺入过程中所有的反应。终止(Termination)包括释放完整的多肽链及核糖体与mRNA分离。每一步都需要不同的辅助因子参与,能量由GTP水解提供。蛋白质合成分为三步:(一)肽链的起始1.30S小亚基与mRNA的结合蛋白质合成起始阶段,mRNA只能够与细胞质基质中游离的核糖体30S小亚基结合。结合部位是mRNA的起始密码子(initiationcodon)AUG。SD序列为:5’…AGGAGG…3’16SrRNA3,端与此互补的序列为:3,…UCCUCC…5’在细菌mRNA起始密码子AUG上游5~10个碱基处有一段特殊的序列,即SD序列。SD序列能与核糖体小亚基16SrRNA3,端的碱基序列互补结合,从而保证30S小亚基能准确识别起始密码子AUG,并结合到mRNA。真核细胞蛋白质翻译的起始与原核细胞差异:真核细胞40S小亚基识别mRNA结合位点的机制不同,小亚基首先识别mRNA5’端甲基化帽子,然后沿着mRNA移动扫描,直到第一个AUG的出现为止。5’-端加帽:成熟的真核生物mRNA的5’-端有m7GPPPN结构,它是在RNA三磷酸酶,mRNA鸟苷酰转移酶,mRNA(鸟嘌呤-7)甲基转移酶和mRNA(核苷-2’)甲基转移酶催化形成的。30S小亚基与mRNA的结合需要起始因子(initiationfactor,IF)的帮助。这些起始因子仅位于30S亚基上。一旦30S亚基与50S亚基结合形成70S核糖体后便释放。起始因子的主要作用:帮助形成起始复合物。原核细胞有3种起始因子:IF1、IF2和IF3。
IFl与30S亚基A位点结合,协助30S亚基与mRNA的结合,防止氨酰-tRNA错误进入核糖体的A位点IF2是一种GTP结合蛋白,协助第一个氨酰-tRNA进入核糖体IF3能防止核糖体50S大亚基提前与小亚基结合,并有助第一个氨酰-tRNA进入核糖体,在调节核糖体动态平衡以及30S亚基与mRNA结合能力方面发挥了重要作用。30S-IFl复合体晶体结构显示在蛋白质翻译起始阶段,30S亚基所有的tRNA结合位点都被占据:如A位点被IFl占据,P位点被起始tRNA占据,E位点被IF3占据。其生物学意义可能与蛋白质合成的正确起始有关2.第一个氨酰-tRNA进入核糖体
当mRNA与小亚基结合后,携带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA(tRNAiMet)进入核糖体P位点,通过反密码子与mRNA中的AUG识别,之后释放IF3。一旦起始tRNA与AUG密码子结合,核糖体大亚基便与起始复合物结合,形成完整的70S核糖体——mRNA起始复合物。该过程伴随与IF2结合的GTP水解,IFl、IF2和IF3释放。3.完整起始复合物的装配(二)肽链的延伸—旦起始复合物形成,蛋白质合成随即开始,这一过程称为肽链的延伸。主要包括4个步骤:
1、氨酰-tRNA进入核糖体A位点的选择2、肽键的形成3、转位(translocation)4、脱氨酰-tRNA的释放。1.氨酰-tRNA在核糖体A位点的入位
起始的tRNAiMet占据P位点,核糖体接受第2个氨酰-tRNA进入A位点,这就是肽链延伸的第一步。为了有效地结合A位点,第二个氨酰-tRNA必须与有GTP的延伸因子(elongationfactor,EF)EF-Tu结合形成复合物氨酰-tRNA·EF-Tu·GTP。尽管任何形成复合物的氨酰-tRNA都能够进入A位点,但只有其反密码子能与A位点的mRNA密码子匹配的氨酰—tRNA才能被核糖体牢牢捕捉并定位在A位点,从而保证正确识别tRNA。到位后,结合在EF-Tu上的GTP水解,EF-Tu连同结合在一起的GDP离开核糖体,被另一个因子EF-Ts介导生成EF-Tu·GTP。2.肽键的形成当核糖体的P位点与A位点都有tRNA时,通过肽键的生成将两个氨基酸结合起来。具体来讲,是A位点氨酰-tRNA氨基酸的氨基与P位点tRNA上氨基酸的羧基形成肽键。这一反应由肽酰转移酶催化,该酶是核糖体大亚基rRNA,活性位点位于23SrRNA结构域V的中央环。形成第一个肽键时,A位点的tRNA分子一端仍然与mRNA的密码子结合,另一端与—个二肽结合。此时,P位点的tRNA分子已经如释重负,没有携带任何氨基酸。3、转位:即核糖体沿着mRNA分子的5,→3,方向移动3个核苷酸(一个密码子)。在转位过程中,携带二肽的tRNA从A位点移位到P位点,而没有携带任何氨基酸的tRNA从P位点移位到E位点。原核细胞GTP结合的延伸因子EF-G能促进移位过程的发生(真核生物是延伸因子eEF2)。
4.脱氨酰-tRNA的释放延伸反应的最后—步是脱氨酰-tRNA离开核糖体E位点一旦肽酰-tRNA通过转位从A位点移位到P位点后,A位点再次接受下一个能与mRNA第三个密码子匹配的氨酰-tRNA,又开始新的肽链延伸循环。(三)肽链的终止释放因子(release
factor,RF):
RFl可识别UAA或UAG
RF2识别UAA或UGA
催化蛋白质合成的终(termination)。
如果A位点mRNA是UAA、UGA或UAG终止密码子(terminationcodon或stopcodon),由于没有与之匹配的反密码子,氨酰-tRNA不能结合到核糖体上,于是蛋白质合成终止。RFl或RF2识别A位点的终止密码子并促使肽酰转移酶催化水分子添加到肽酰-tRNA上。这一过程实际上与肽键形成类似,只不过是水分子代替了氨基成为活化肽酰基的受体。这一反应使得多肽链末端的羧基游离出来,肽链延伸终止形成完整的蛋白链。蛋白链随即脱离核糖体进入细胞质基质,而核糖体也从mRNA上释放下来,解离成30S和50S亚基。新生肽链通过核糖体大亚基的一个特定通道进入细胞质基质,该通道称为肽通道。大小为10nm×5nm,是—个亲水性通道,内壁主要由23SrRNA组成,新生肽链能顺利地通过肽通道。从核糖体释放后,新合成的蛋白质将在分子伴侣的帮助下,形成正确的三维构象。三、核糖体与RNA世界
(一)核糖体的本质是核酶核酶是指一类具
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