文本說明分析核糖體

核糖體ribosomeSuGangInstituteofGeneticsTheSchoolofBasicMedicalSciencesLanzhouUniversitysugang@概述核糖體是一種非膜性細(xì)胞器，是由核糖核酸和蛋白質(zhì)組成的核糖核蛋白顆粒(ribonucleoproteinparticle)核糖體是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的分子機(jī)器核糖體幾乎存在于一切細(xì)胞內(nèi)線粒體和葉綠體中也同樣含有核糖體附著核糖體游離核糖體核糖體是一種不規(guī)則的顆粒狀結(jié)構(gòu)，沒有生物膜包裹，其直徑為25-30nm，主要成分是RNA與蛋白質(zhì)。核糖體RNA稱為rRNA，蛋白質(zhì)稱r蛋白，RNA約占2/3，而蛋白質(zhì)含量約占1/3r蛋白分子主要分布在核糖體的表面，而rRNA則主要位于內(nèi)部，二者靠非共價(jià)鍵結(jié)合在一起。rRNA對控制翻譯的精確性、tRNA的選擇、蛋白因子的結(jié)合、肽鍵的形成等發(fā)揮主要作用。概述核糖體的類型核糖體類型單體（S）大亞基（S）小亞基（S）原核細(xì)胞核糖體705030真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)核糖體806040真核細(xì)胞細(xì)胞器核糖體（

葉綠體

）705030真核細(xì)胞細(xì)胞器核糖體（線粒體）55~805030沉降系數(shù)（sedimentationcoefficient）是衡量物質(zhì)在離心力作用下沉降的速度，以S（svedberg）單位來表示，1S=1×10-13秒。沉降速度直接與顆粒的大小，形狀和分子量成正相關(guān)。核糖體的形態(tài)在電鏡下觀察，核糖體是一種顆粒狀的結(jié)構(gòu)，沒有被膜的包裹，其直徑為25nm左右，主要是由大小兩個(gè)亞基聚合而成：大亞基：成拱起的鴨掌狀，一側(cè)有三個(gè)突起（嵴、中心突、柄）小亞基：側(cè)面略呈弧形，分為頭部（1/3）和基部（2/3），并有一裂隙。大小亞基結(jié)合面有空隙，可容納mRNA分子通過。核糖體的形態(tài)核糖體的化學(xué)組成來源完整核糖體核糖體亞基核糖體RNAs細(xì)胞質(zhì)80S60S(大亞基)28S，5.8S，5S(真核生物)

40S(小亞基)18S，細(xì)胞質(zhì)70S50S(大亞基)23S，5S(原核生物)

30S(小亞基)16S線粒體55-60S45S(大亞基)16S(哺乳動(dòng)物)

35S(小亞基)12S線粒體75S53S(大亞基)21S(酵母)

35S(小亞基)14S線粒體78S60S(大亞基)26S，5S(高等植物)

45S(小亞基)18S葉綠體70S50S(大亞基)23S，5S

30S(小亞基)16S不同類型核糖體的成分比較核糖體的聚合與解離單核糖體：Mg2+濃度為1~10mmol/l，大小亞基：Mg2+濃度小于1mmol/l，二聚核糖體：Mg2+濃度大于10mmol/l（真核細(xì)胞二聚體為120S）多聚核糖體（polyribosome）在電鏡下常?？梢杂^察到許多個(gè)核糖體同時(shí)結(jié)合在一個(gè)mRNA分子上進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與mRNA的聚合體稱為多聚核糖體（polyribosome）。多聚核糖體的生物學(xué)意義：細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小或是mRNA的長短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的多肽分子數(shù)目都大體相等。以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對mRNA的利用及對其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。核糖體的結(jié)構(gòu)組成核糖體的每個(gè)亞基的都有特定rRNA不同生物的rRNA的一級結(jié)構(gòu)是非常保守的，某些序列是完全一致的。盡管不同種的rRNA的一級結(jié)構(gòu)可能有所不同，但它們都折疊成相似的二級結(jié)構(gòu)。rRNA的三維結(jié)構(gòu)Geneticinformationconservedsincethedaysofthelastcommonancestorofalllivingthings.ApartofthegeneforthesmallerofthetwomainRNAcomponentsoftheribosomeisshown.(Thecompletemoleculeisabout1500–1900nucleotideslong,dependingonspecies.)Correspondingsegmentsofnucleotidesequencefromanarchaean(Methanococcusjannaschii),abacterium(Escherichiacoli)andaeucaryote(Homosapiens)arealigned.Siteswherethenucleotidesareidenticalbetweenspeciesareindicatedbyaverticalline;thehumansequenceisrepeatedatthebottomofthealignmentsothatallthreetwo-waycomparisonscanbeseen.AdothalfwayalongtheE.colisequencedenotesasitewhereanucleotidehasbeeneitherdeletedfromthebacteriallineageinthecourseofevolution,orinsertedintheothertwolineages.Notethatthesequencesfromthesethreeorganisms,representativeofthethreedomainsofthelivingworld,alldifferfromoneanothertoaroughlysimilardegree,whilestillretainingunmistakablesimilarities.

核糖體小亞單位rRNA的二級結(jié)構(gòu)(a)E.coli16SrRNA；（紅色為高度保守區(qū)）(b)酵母菌18SrRNA，它們都具有類似的40個(gè)臂環(huán)結(jié)構(gòu)(圖中1～40)，其長度和位置往往非常保守；P、E分別代表僅在原核或真核細(xì)胞中存在的rRNA的二級結(jié)構(gòu)。(Darnelletal.，1990)rRNA主導(dǎo)下的核糖體蛋白質(zhì)的裝配蛋白質(zhì)和每種主要rRNA的特殊位點(diǎn)相結(jié)合，以特定順序裝配成亞基蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后層次性核糖體的重組裝是以rRNA為主導(dǎo)的自我裝配過程真核生物核糖體亞基的裝配地點(diǎn)在細(xì)胞核的核仁部位，原核生物核糖體亞基的裝配則在細(xì)胞質(zhì)中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性為tRNA提供結(jié)合位點(diǎn)(A位點(diǎn)、P位點(diǎn)和E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mRNA選擇性結(jié)合以及在肽鏈延伸中與mRNA結(jié)合核糖體大小亞基的結(jié)合、校正閱讀(proofreading)、無意義鏈或框架漂移的校正，以及抗生素的作用等都與rRNA有關(guān)r蛋白的作用1.對rRNA折疊成有功能的三維結(jié)構(gòu)是十分重要的；2.在蛋白質(zhì)合成中，某些r蛋白可能對核糖體的構(gòu)象起“微調(diào)”作用；3.在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至可能在催化作用中,核糖體蛋白與rRNA共同行使功能。RNA與生命起源生命是自我復(fù)制的體系三種生物大分子，只有RNA既具有信息載體功能又具有酶的催化功能。因此，推測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催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì)DNA代替了RNA的遺傳信息功能DNA雙鏈比RNA單鏈穩(wěn)定；DNA鏈中胸腺嘧啶代替了RNA鏈中的尿嘧啶，使之易于修復(fù)。蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA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；與RNA相比，蛋白質(zhì)能更為有效地催化多種生化反應(yīng)，并提供更為復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分，逐漸演化成今天的細(xì)胞核糖體的重要活性部位mRNA的結(jié)合位點(diǎn)：位于小亞基上，16SrRNA的3`端與核糖體蛋白S1、S18、S21組成。A位點(diǎn)（氨酰基位點(diǎn)、受位）：氨?；?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)，位于大亞基。P位點(diǎn)（肽?；稽c(diǎn)、供位）：肽?；?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)，能結(jié)合起始tRNA并且是tRNA連接延長中多肽鏈進(jìn)入的部位，位于大亞基。T因子（肽基轉(zhuǎn)移酶部位）：位于大亞基上，催化氨基酸之間形成肽鏈。G因子（轉(zhuǎn)位酶位點(diǎn)、GTP酶）：分解GTP分子，將肽?；?tRNA由A位移到P位E位（出口位）：新生多肽鏈的出口位，它是大亞基是的長約30個(gè)氨基酸的孔道，能容納生長中的肽鏈。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)核糖體的功能

──蛋白質(zhì)的生物合成核糖體是細(xì)胞中翻譯mRNA上的遺傳信息，負(fù)責(zé)合成蛋白質(zhì)的重要的細(xì)胞器。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成是一個(gè)復(fù)雜過程，多種細(xì)胞器和生物大分子參與該過程遺傳信息翻譯的基本原理mRNA攜帶指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的遺傳密碼遺傳密碼（geneticcode）：mRNA上的堿基排列順序。在mRNA鏈上3個(gè)相鄰的堿基可以決定一個(gè)特定的氨基酸，這種核苷酸三聯(lián)體被稱為密碼子（codon）。通用性（universal）：從原核生物到真核生物，幾乎所有生物體中的遺傳密碼都是通用的。簡并性（degeneracy）：多個(gè)密碼子決定同一氨基酸。連續(xù)性（commaless）：在翻譯過程中，遺傳密碼的閱讀是連續(xù)的。方向性（direction）：mRNA中密碼子的閱讀方向?yàn)?’→3’。tRNA既能識別mRNA上的密碼子又能攜帶特定的氨基酸t(yī)RNA識別mRNA上的密碼子：反密碼子（anticodon）的堿基互補(bǔ)配對作用。tRNA攜帶特定氨基酸：氨酰-tRNA合成酶催化。氨基酸的活化：氨基酸與ATP在氨酰-tRNA合成酶作用下形成氨酰-AMP。氨基酸與tRNA的連接：活化氨基酸的氨?；晦D(zhuǎn)移至tRNA分子上形成氨酰-tRNA（aminoacyl-tRNA）并釋放AMP。擺動(dòng)性（wobble）：密碼子的前兩位堿基在和反密碼子配對時(shí)，遵循正常的堿基互補(bǔ)配對原則，而第三位堿基的配對具有一定的靈活性。遺傳信息翻譯的基本原理蛋白質(zhì)合成的主要步驟氨基酸的活化；多肽鏈合成的起始；肽鏈的延長；肽鏈的終止和釋放；蛋白質(zhì)合成后的加工修飾。氨基酸的活化在氨基酰-tRNA合成酶的催化下，氨基酸活化，并結(jié)合到tRNA3`端的-CCA的A端上，形成氨基酰-tRNA復(fù)合體。肽鏈合成的起始：蛋白質(zhì)合成起始(initiation)涉及mRNA、起始tRNA和核糖體小亞基間相互作用和組裝小亞基與mRNA的結(jié)合起始密碼子(initiationcodon)AUCSD序列：5’…AGGAGG…3'3'…UCCUCC…5'起始因子(initiationfactors，IF)第一個(gè)氨酸-tRNA進(jìn)入核糖體完整起始復(fù)合物的組裝IF230S-mRNA-50S-fMet-tRNAf5,3,AUG小亞基肽鏈合成的起始小亞基5,3,AUGIF3IF3IF3-mRNA-30S三元復(fù)合物IF2-30S-mRNA-fMet-tRNAf30S-mRNA-50S-fMet-tRNAfIF2IF3UACfMet大亞基小亞基5,3,AUGUACfMetIF2GTPGDP+PiIF2大亞基小亞基5,3,AUGUACfMetA位IF3-mRNA-30S三元復(fù)合物IF3IF2-30S-mRNA-fMet-tRNAf大亞基IF2GTP小亞基IF3UACfMetIF2IF3小亞基5,3,AUGA位UACfMet大亞基GTPGDP+Pi肽鏈的延伸(elongation)主要包括4個(gè)步驟:氨酸-tRNA進(jìn)入核糖體A位點(diǎn)的選擇延伸因子(elongationfactor)肽鍵的形成肽酰轉(zhuǎn)移酶(peptidyltransferase)轉(zhuǎn)位脫氨酰-tRNA的釋放核糖體循環(huán)（ribosomecirculation）：肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)進(jìn)行，每經(jīng)過一個(gè)循環(huán)肽鏈增加一個(gè)氨基酸。P位A位P位A位fMetCGG丙

肽鏈的延長UACfMetP位A位3,AUGGCCUCUGGAACG5,CGG丙1.氨酰基-tRNA進(jìn)入A位2.肽鍵的形成UAC肽基轉(zhuǎn)移酶形成肽鍵P位A位CGG丙3,AUGGCCUCUGGAACG5,UACfMet3.移位(由A位轉(zhuǎn)移至P位）CGG丙fMet3,AUGGCCUCUGGAACG5,EF-G易位酶G因子GTPGDP+PiUACfMetP位A位3,AUGGCCUCUGGAACG5,ACUUAGACUUAGACUUAGACUUAGEF-TGTP肽鏈的終止UAA、UGA或UAG終止密碼子(terminationcodons或stopcodons)釋放因子(releasefactor)肽通道P位A位CGG丙EF-TGTPUACfMetCGG丙fMetUAC肽基轉(zhuǎn)移酶形成肽鍵ACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,EF-G易位酶G因子GTPGDP+PiAGA絲CGG

肽鏈合成的終止與釋放P位A位RF釋放因子UGA絲fMet丙甘蘇ACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,RFUGA30S50SRF

肽鏈的