第十一章核糖體

1、第十一章核糖體第十一章核糖體(ribosome)(ribosome) 核糖體的類型與結(jié)構(gòu)核糖體的類型與結(jié)構(gòu)多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成 第一節(jié)第一節(jié) 核糖體的類型與結(jié)構(gòu)核糖體的類型與結(jié)構(gòu) 核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，其核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，其唯一的功能唯一的功能是按照是按照mrnamrna的指令由氨基酸的指令由氨基酸高效且精確地合成多肽鏈。高效且精確地合成多肽鏈。 核糖體的基本類型與成分核糖體的基本類型與成分 核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體的結(jié)構(gòu) 核糖體蛋白質(zhì)與核糖體蛋白質(zhì)與rrnarrna的功能分析的功能分析 一、核糖體的基本類型與成分一、核糖體的基本類型與成分核糖核蛋白體核糖

2、核蛋白體, ,簡(jiǎn)稱核糖體簡(jiǎn)稱核糖體(ribosome) (ribosome) 基本基本類型類型附著核糖體附著核糖體游離核糖體游離核糖體70s70s的的核糖體核糖體80s80s的的核糖體核糖體主要主要成分成分r r蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)：40%40%，核糖體表面，核糖體表面 rrna:60%,rrna:60%,，核糖體內(nèi)部，核糖體內(nèi)部二、核糖體的結(jié)構(gòu)二、核糖體的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能的分析方法結(jié)構(gòu)與功能的分析方法 蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟 與與50s50s核糖體大亞單位相關(guān)核糖體大亞單位相關(guān) 結(jié)構(gòu)與功能的分析方法結(jié)構(gòu)與功能的分析方法離子交換樹脂可分離純化各種離子交換樹脂可分離純化

3、各種r r蛋白；蛋白；純化的純化的r r蛋白與純化的蛋白與純化的rrnarrna進(jìn)行核糖體的重組裝，顯進(jìn)行核糖體的重組裝，顯示核糖體中示核糖體中r r蛋白與蛋白與rrnarrna的結(jié)構(gòu)關(guān)系。的結(jié)構(gòu)關(guān)系。雙向電泳技術(shù)可顯示出雙向電泳技術(shù)可顯示出e.colie.coli核糖體在裝配各階段核糖體在裝配各階段中，與中，與rrnarrna結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型。結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型。雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分離可用于研究雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分離可用于研究r r蛋白在蛋白在結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系 電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，研究r r蛋白在核蛋白在核糖體的亞單位

4、上的定位。目前已了解糖體的亞單位上的定位。目前已了解e.colie.coli核糖體核糖體的小亞單位中的小亞單位中rrnarrna與全部的與全部的r r蛋白關(guān)系的蛋白關(guān)系的空間模型空間模型 對(duì)對(duì)rrnarrna，特別是對(duì)，特別是對(duì)16s rrna16s rrna結(jié)構(gòu)的研究結(jié)構(gòu)的研究 蛋白質(zhì)結(jié)合到蛋白質(zhì)結(jié)合到rrnarrna上具有先后上具有先后層次性層次性。核糖體的重組裝是自我裝配過程。核糖體的重組裝是自我裝配過程。 同一生物中不同種類的同一生物中不同種類的r r蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)均不相同，在免疫學(xué)上幾乎沒有同源性。均不相同，在免疫學(xué)上幾乎沒有同源性。不同生物同一種類不同生物同一種類r

5、r蛋白之間具有很高的同蛋白之間具有很高的同源性，并在進(jìn)化上非常保守。源性，并在進(jìn)化上非常保守。16srrna16srrna的一級(jí)結(jié)構(gòu)是非常保守的的一級(jí)結(jié)構(gòu)是非常保守的16srrna16srrna的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性：的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性： 臂環(huán)結(jié)構(gòu)臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loop structure)(stem-loop structure) 蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟與蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟與50s50s核糖體大亞單位相關(guān)核糖體大亞單位相關(guān)涉及的多數(shù)因子為涉及的多數(shù)因子為g g蛋白蛋白( (具有具有g(shù)tpasegtpase活性活性) )，核，核糖體上與之相關(guān)位點(diǎn)稱為糖體上與之

6、相關(guān)位點(diǎn)稱為gtpasegtpase相關(guān)位點(diǎn)。相關(guān)位點(diǎn)。最近人們成功地制備最近人們成功地制備l11-rrnal11-rrna復(fù)合物的晶體，獲復(fù)合物的晶體，獲得了其空間結(jié)構(gòu)高分辨率的得了其空間結(jié)構(gòu)高分辨率的三維圖象三維圖象。這一結(jié)果證實(shí)了前人用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)所獲得的種這一結(jié)果證實(shí)了前人用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)所獲得的種種結(jié)論。種結(jié)論。提出直觀、可靠且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和提出直觀、可靠且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和可能的作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有可能的作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有3030多億年歷史的古老的高度復(fù)雜的分多億年歷史的古老的高度復(fù)雜的分子機(jī)器的子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧秘邁出了極重要的一步。運(yùn)

7、轉(zhuǎn)奧秘邁出了極重要的一步。 三、核糖體蛋白質(zhì)與三、核糖體蛋白質(zhì)與rrnarrna的功能分析的功能分析 核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì) 合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn) 在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究 核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì) 合成有關(guān)的合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)與與mrnamrna的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)與新?lián)饺氲陌滨Ｅc新?lián)饺氲陌滨?trna-trna的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)氨?；稽c(diǎn)，氨?；稽c(diǎn)，又稱又稱a a位點(diǎn)位點(diǎn)與延伸中的肽酰與延伸中的肽酰-trna-trna的結(jié)

8、合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)肽?；稽c(diǎn)，肽?；稽c(diǎn)，又稱又稱p p位點(diǎn)位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的trnatrna的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)e e位點(diǎn)位點(diǎn)(exit site)(exit site)與肽酰與肽酰trnatrna從從a a位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到p p位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶 ( (即延伸因子即延伸因子ef-g)ef-g)的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和 終止因子的結(jié)合位點(diǎn)終止因子的結(jié)合位點(diǎn) 在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究 核

9、糖體蛋白核糖體蛋白 在核糖體中在核糖體中rrnarrna是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分 r r蛋白質(zhì)的主要功能蛋白質(zhì)的主要功能 核糖體蛋白核糖體蛋白很難確定哪一種蛋白具有催化功能：很難確定哪一種蛋白具有催化功能： 在在e.colie.coli中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋白中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋白 質(zhì)合成并沒有表現(xiàn)出質(zhì)合成并沒有表現(xiàn)出“全全”或或“無無”的影響。的影響。多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由 于于r r蛋白的基因突變而往往是蛋白的基因突變而往往是 rrnarrna基因突變?；蛲蛔?。在整個(gè)進(jìn)化過程中在整個(gè)進(jìn)化過程中rrna

10、rrna的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白 的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。 在核糖體中在核糖體中rrnarrna是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；為為trnatrna提供結(jié)合位點(diǎn)提供結(jié)合位點(diǎn)(a(a位點(diǎn)、位點(diǎn)、p p位點(diǎn)和位點(diǎn)和e e位點(diǎn)位點(diǎn)) )；為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同mrnamrna選擇性地結(jié)合以選擇性地結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與及在肽鏈的延伸中與mrnamrna結(jié)合；結(jié)合； 核 糖 體 大 小 亞 單 位 的 結(jié) 合 、 校

11、 正 閱 讀核 糖 體 大 小 亞 單 位 的 結(jié) 合 、 校 正 閱 讀(proofreading)(proofreading)、無意義鏈或框架漂移的校正、無意義鏈或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都與以及抗菌素的作用等都與rrnarrna有關(guān)。有關(guān)。 r r蛋白質(zhì)的主要功能蛋白質(zhì)的主要功能對(duì)對(duì)rrna rrna 折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的；折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的；在蛋白質(zhì)合成中在蛋白質(zhì)合成中, , 某些某些r r蛋白可能對(duì)核糖體的構(gòu)象蛋白可能對(duì)核糖體的構(gòu)象 起起“微調(diào)微調(diào)”作用；作用；在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中,

12、, 核核糖體蛋白與糖體蛋白與rrnarrna共同行使功能。共同行使功能。 第二節(jié)第二節(jié) 聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體多聚核糖體(polyribosome(polyribosome或或polysome)polysome) 蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成 rnarna在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化過程地位及其演化過程 一、多聚核糖體一、多聚核糖體(polyribosome(polyribosome或或polysome)polysome) 概念概念 核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條而是由

13、多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條mrnamrna分分子上高效地進(jìn)行肽鏈的合成，這種具有特殊功能子上高效地進(jìn)行肽鏈的合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與mrnamrna的聚合體稱為的聚合體稱為多聚核多聚核糖體糖體。 多聚核糖體的生物學(xué)意義多聚核糖體的生物學(xué)意義 細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小或是小或是mrnamrna的長(zhǎng)短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的多的長(zhǎng)短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的多肽分子數(shù)目都大體相等。肽分子數(shù)目都大體相等。 以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對(duì)以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對(duì)mrnamrna的利用及對(duì)其濃度的

14、調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。的利用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。 三、三、rnarna在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化過程地位及其演化過程生命是自我復(fù)制的體系生命是自我復(fù)制的體系 dnadna代替了代替了rnarna的遺傳信息功能的遺傳信息功能蛋白質(zhì)取代了絕大部分蛋白質(zhì)取代了絕大部分rnarna酶的功能酶的功能 生命是自我復(fù)制的體系生命是自我復(fù)制的體系三種生物大分子，只有三種生物大分子，只有rnarna既具有信息載體既具有信息載體 功能又具有酶的催化功能。因此，推測(cè)功能又具有酶的催化功能。因此，推測(cè)rnarna 可能是生命起源中最早的生物大分子?？赡苁巧鹪粗凶钤绲纳锎蠓肿?。核酶核酶(r

15、ibosome)(ribosome)：具有催化作用的：具有催化作用的rnarna。由由rnarna催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì)催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì) dnadna代替了代替了rnarna的遺傳信息功能的遺傳信息功能dnadna雙鏈比雙鏈比rnarna單鏈穩(wěn)定；單鏈穩(wěn)定；dnadna鏈中胸腺嘧啶代替了鏈中胸腺嘧啶代替了rnarna鏈中的尿嘧啶，使鏈中的尿嘧啶，使之易于修復(fù)。之易于修復(fù)。 蛋白質(zhì)取代了絕大部分蛋白質(zhì)取代了絕大部分rnarna酶的功能酶的功能蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性與構(gòu)象的多變性；蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性與構(gòu)象的多變性；與與rnarna相比，蛋白質(zhì)能更為有效地催化多種生化相比，蛋白質(zhì)能更為有效地催化多種生

16、化反應(yīng)，并提供更為復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分，逐漸演反應(yīng)，并提供更為復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分，逐漸演化成今天的細(xì)胞?；山裉斓募?xì)胞。 原核生物與真核生物核糖體成分的比較原核生物與真核生物核糖體成分的比較 e.colie.coli核糖體小亞單位中核糖體小亞單位中rrnarrna與與r r蛋白的相互關(guān)系示意圖蛋白的相互關(guān)系示意圖線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)（粗線）與弱（細(xì)線）線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)（粗線）與弱（細(xì)線） （引自（引自alberts et alalberts et al，19891989） e.coli e.coli 核糖體小亞單位中的部分核糖體小亞單位中的部分r r蛋白與蛋白與rrnarrna的結(jié)合位點(diǎn)（的結(jié)合位點(diǎn)（a a） 及其在小亞單位上的部位（及其在小亞單位上的部位（b b） （引自（引自albert et al.albert et al.，19891989，圖，圖a; lewin,1997,a; lewin,1997,圖圖b b） 核糖體小亞單位核糖體小亞單位rrnarrna的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(a) (a) e.colie.coli 16s rrna 16s rrna；（紅色為高度保守區(qū)）；（紅色為高度保守區(qū)）(b) (b) 酵母菌酵母菌18s