《细胞生物学》核糖体与核酶自习报告

核糖体与核酶引言：1.核糖体（ribosome）是细胞内的一种核糖蛋白颗粒，其唯一的功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链，所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。6.1核糖体的形态结构1.核酶是具有催化活性的反义RNA6.1.1核糖体的类型和化学组成6.1.1.1核糖体的类型和大小核糖体有种类型：细胞质核糖体、线粒体核糖体、叶绿体核糖体核糖体分为：真核生物核糖体和原核生物核糖体核糖体由大小两个不同的亚基组成，在不进行蛋白质合成时是分开的，各自游离在细胞质中，在进行蛋白质合成时结合在一起在真核细胞中，核糖体在进行蛋白质合成时：1.游离在细胞质中称游离核糖体2.附着在内质网的表面，称膜旁核糖体或附着核糖体。6.1.1.2核糖体的化学组成核糖体的大小两个亚基都是由核糖体RNA（rRNA）和核糖体蛋白质组成。6.1.2核糖体的蛋白质与rRNA6.1.2.1核糖体蛋白E.coli核糖体21个小亚基，为S1~S21,大亚基的核糖体蛋白命名为L1~L336.1.2.2核糖体rRNA30S核糖体亚基的形态主要是由16SrRNA决定的6.1.3细菌核糖体的结构模型S4、S5、S8、S12等4个蛋白定位在核糖体的小亚基上，并且是背向大亚基。小亚基中确定了与信使RNA（mRNA）和转移RNA（tRNA）结合位点催化肽键形成的位点位于大亚基，和GTP水解的功能区6.2核糖体的生物发生在细胞内，核糖体是自我装配的。核糖体的生物发生包括蛋白质和rRNA的合成、核糖体亚基的组装等。6.2.1核糖体rRNA基因的转录与加工编码核糖体的基因分为两类：一类是编码蛋白质的基因，另一类是rRNA基因6.2.1.1编码rRNA基因的过量扩增细胞为了满足大量需求的rRNA，在进化的过程中形成了一种机制：增加编码rRNA基因的拷贝数。增加拷贝数有两种方法：1.在染色体上增加rRNA基因的拷贝数2.通过基因扩增6.2.1.2真核生物18S、5.8S、28SrRNA和5SrRNA基因在真核生物的染色体中，18S、5.8S、28SrRNA和5SrRNA基因是串联在一起的，每个基因被间隔区隔开，5SrRNA基因位于不同的染色体上。在间期核中，所有这五条染色体rRNA基因区域，转录时聚集在一起，形成一个核仁。6.2.1.3真核生物18S、5.8S、28SrRNA和5SrRNA基因转录与加工真核生物参加rRNA基因转录的酶是RNA聚合酶I。6.2.1.4真核生物前rRNA的修饰前rRNA有两个独特的特点：1.含有大量的甲基化的核苷2.具有很多假鸟苷甲基化的主要部位在核糖体第二位的羟基上，甲基化可能对加工起引导作用前rRNA的修饰可能有利于rRNA的正确折叠一集与别的分子正确的相互作用6.2.1.55SrRNA基因的转录与加工5SrRNA基因是由RNA聚合酶III转录的，原初转录的5`端与成熟的5SrRNA的5`端完全相同RNA聚合酶III通常是与位于转录部分内的启动子结合，而不是与转录其实位点上游的启动子结合。6.2.1.6原核生物rRNA基因及转录原核生物与真核生物rRNA基因在组织结构上的差异：在基因的重复次数上，真核生物的rRNA基因重复的次数相当高，而原核生物的rRNA基因的重复次数却很少。在真核生物中编码5SrRNA的基因位于不同的染色体上，而细菌的5SrRNA基因与另外两种rRNA基因组成一个转录单位，它们在染色体上的排列顺序是16S-23S-5S。2.通过核酸酶III（RNaseIII）突变体的研究证明原核生物的3钟rRNA位于一个原初转录物中。3.在细菌中核酸酶III不是参与前rRNA加工的惟一的酶，还需要其他一些酶核酸酶参加，如果缺少其他一些酶，就不能得到正确大小的rRNA。6.2.1核糖体rRNA基因的转录与加工真核生物核糖体亚基的装配地点，原核生物核糖体亚基的装配则在细胞质中。6.2.2.1核糖体亚基的自我装配Nomura实验表明：核糖体是一种自组装的结构，即没有样板货亲体结构所组成的结构。但是在组装的过程中，某些蛋白质必须首先结合到rRNA上，其他蛋白才能组装上去。即组装有先后顺序。小亚基在装配的起始，一些蛋白能独立地与16SrRNA结合，装配的中间物为其他蛋白的结合提供了架构。中间体必须经过构型的变化才能与其他蛋白结合。30S亚基上的蛋白分为三类：开始装配所必需的蛋白质，它们先和rRNA特定区段结合，形成核糖体亚基的核心。结合后可与后一批蛋白提供结合位点非30S亚基形成所必需，但却是显示其活性所必须的。6.2.2.2原核生物核糖体重组实验1.核糖体重组：指将不同源的核糖体大小亚基货不同亚基的rRNA或蛋白质重新组合，形成杂合的核糖体后研究其功能。6.2.2.3真核生物核糖体在核仁中装配1.组成核糖体的18S、5.8S、28SrRNA在核仁中边转录边参与核糖体亚基的装配，5SrRNA却是在细胞核中转录后送到核仁中参与核糖体亚基的装配。6.3核糖体的功能——蛋白质的合成1.核糖体的功能是进行蛋白质合成，在核糖体上合成的只是蛋白质的一集结构。2.合成方向是5’到3’6.3.1核糖体的功能位点1.核糖体功能位点中有4种与RNA分子结合的位点，其中一个是与mRNA结合的位点，另3个是与tRNA结合的位点。2.A位点：即氨酰基位点，是与新掺入的氨酰基tRNA结合的位点，又叫受位。主要位于大亚基，是接受tRNA的部位。3.P位点，即肽酰tRNA位点，又叫供位，主要位于大亚基，是肽基tRNA移交肽链后肽酰tRNA所占据的位置，即子延伸中与tRNA结合位点4.E位点：是脱氨酰tRNA离开P位点到完全从核糖体释放出来的一个中间停靠位点。6.3.2蛋白质合成的基本过程在核糖体上合成多肽链，分为3步：链的起始、链的延伸、链的终止。6.3.2.1蛋白质合成的起始蛋白质合成起始涉及mRNA、起始tRNA和核糖体小亚基之间相互用，最后装配成完整的核糖体。起始过程分三步：1.30S亚基与mRNA的结合：mRNA不能与完整的何烨结合，但是能够同独立存在的30S核糖体小亚基结合。核糖体小亚基与mRNA的结合还需要起始因子。2.第一个氨酰-tRNA进入核糖体。3.完整的起始复合物的装配。6.3.2.2多肽链的延伸蛋白质的延伸：1.氨酰tRNA进入核糖体的A位点2.肽键的形成3.转位4.脱氨酰tRNA释放在整个过程中需要GTP和延长因子的参与。氨酰tRNA进入核糖体的A位点：由起始tRNA占据P位点，核糖体开始接受第二个氨酰-tRNA进入A位点，为延伸的第一步肽键的形成：由A位点的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基与P位点氨酰t-RNA上氨基酸的羧基间形成肽键转位脱氨酰tRNA释放在蛋白质合成的延伸反应，每一次循环至少水解两分子的GTP6.3.2.3终止蛋白质合成的终止是指核糖体沿着mRNA移动，如果进入A位点的是终止密码子，由于没有与之匹配的反密码子，而终止蛋白质的合成。终止密码子：UAA、UAG、UGA蛋白质合成的终止需要释放因子（RF）的存在。6.3.3多聚核糖体在蛋白质合成过程中，同一条mRNA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，结合在同一条mRNA上的核糖体就称为多聚核糖体。多聚核糖体达达提高蛋白质合成的速率，也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力。6.3.4蛋白质合成抑制剂6.3.4.1抗生素抗生素是主要的蛋白质合成抑制剂链霉素主要是抑制起始tRNA和非起始tRNA与核糖体的结合，导致肽链合成的提前终止。6.3.4.2嘌呤霉素1.嘌呤霉素是一种蛋白质合成抑制剂，它具有与tRNA分子末端类似的结构，能够同氨基酸结合，代替氨酰tRNA同核糖体A位点结合，6.3.5细胞中蛋白质的寿命与讲解6.3.5.1蛋白质的寿命信号细胞内新生的蛋白质通常有3种特别的信号：加工信号、分选定位信号、寿命信号。每一种蛋白质都有寿命特征，称为半寿期。蛋白质N端与半寿期的关系，称为N端规则6.3.5.2蛋白酶体对蛋白质的降解执行降解蛋白质的任务的是多蛋白的复合体，称为蛋白酶体。蛋白酶体既存在于细胞核中，又存在于胞质溶胶中。蛋白酶体主要讲解两种类型的蛋白质：一类是错误折叠的蛋白质，另一类是需要进行数量调节的蛋白质。蛋白酶体对蛋白质的降解通过遍在蛋白质介导，所以又称为遍在蛋质降解途径。蛋白酶体对蛋白质的降解作用分为两个过程：1.对被降解的蛋白质进行标记由遍在蛋白质完成。2.蛋白酶解作用，由蛋白酶体催化。6.4反义RNA与核酶6.4.1小分子RNA与反义RNA6.4.1.1小分子RNA的类型主要有两种小分子RNA：1.snRNA，存在于细胞核中2.scRNA，存在于细胞质中。由于snRNA富含尿嘧啶核苷，分类时把它分为U1、U26.4.1.2反义RNA与蛋白质合成的抑制反义RNA是指与mRNA互补的RNA分子，也包括与其他RNA互补的RNA分子。由于核糖体不能翻译双链的RNA，所以反义RNA与mRNA互补结合即抑制了该mRNA的翻译。细胞中反义RNA的来源有两种途径：1.反向转录的产物2.来源是不同的基因产物原核细胞中发现的反义RNA，根据作用分为3类：1.I类反义RNA：这类RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和（或）编码区，引起翻译的直接抑制（1A类）；或与靶mRNA结合后引起该链RNA分子对RNaseIII的敏感性增加，使其降解（1B类）2.II类反义RNA：与mRNA上的SD序列的上游非编码区结合，从而抑制靶mRNA的翻译功能3.III类反义RNA：可直接抑制靶mRNA的转录6.4.1.3反应snRNA在前rRNA加工中的作用细胞核中的snNA通常与特定的蛋白质包裹在一起形成颗粒结构，称小核糖核蛋白SnRNA与前rRNA通过互补形成的RNA-RNA双链部分可作为前rRNA进行加工修饰的标志根据反义snRNA的功能和序列的相似性，分为：1.C/D框snRNA，这类RNA的5’有C/D框结构，它们的功能是决定何种核苷的核糖甲基化。2.H/HAC框snRNA，这类反义snRNA的3’有HAC序列，它们的作用是决定哪些尿苷被转变成假尿苷。6.4.2核酶核酶：化学本质是核糖核酸，却具有酶的催化功能6.4.2.1核酶大发现在大多数真核生物的rRNA加工中，从前rRNA中切除的序列都是间隔区而不是内含子，所谓间隔区就是位于编码基因间的序列而不是位于基因内的序列。人工制备的26S前rRNA分子在没有任何蛋白质催化剂存在的情况下，切除了前体分子中的内含子。这种现象称为自剪接。6.4.2.250S核糖体中的23SrRNA的核酶活性肽键的形成是有肽酰转移酶催化的6.4.2.3核酶的类型根据核酶的结构和催化反应可分为3种类型：1.RNA和蛋白质复合物2.小分子的RNA：各种具有催化作用的小分子RNA，能够进行分子内的自剪接反应，且不需蛋白质的参与。一部分为底物，一部分是酶3.I、II型内含子：这两种核酶具有将自身从mRNA中剪接出去的作用，但在体内需要有辅助蛋白的参与。6.4.3内含子的切除：核酶的作用机制6.4.3.1核剪接真核生物的结构基因中一般含有内含子，转录后，从前mRNA中将内含子切除，然后将外显子重新连接成一个成熟的mRNA的过程成为RNA剪接。核剪接：发生在细胞核中，主要是对hnRNA中内含子的剪接。有三个特点：1.在前mRNA中内含子与外显子间有特征性序列，即GU-AG规律2.剪接过程中需要snRNA参与，并形成剪接体3.要形成套索结构GU-AG规律：前RNA中参与内含子剪接的两个特殊位点，即在内含子和外显子交界处有两个相当短的保守序列：5’端为GU，3’端为AG。剪接体：在剪接过程中形