細(xì)胞生物學(xué)第十一章

細(xì)胞生物學(xué)第十一章第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)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，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精確地合成多肽鏈。核糖體的基本類型與成分

核糖體的結(jié)構(gòu)

核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能分析

第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、核糖體的基本類型與成分核糖核蛋白體,簡(jiǎn)稱核糖體(ribosome) 基本類型 附著核糖體 游離核糖體 70S的核糖體 80S的核糖體 主要成分 r蛋白質(zhì)：40%，核糖體表面

rRNA:60%,，核糖體內(nèi)部按存在的部位:有三種類型核糖體，細(xì)胞質(zhì)核糖體、線粒體核糖體、葉綠體核糖體。第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、核糖體的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能的分析方法蛋白質(zhì)合成過(guò)程中很多重要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二結(jié)構(gòu)與功能的分析方法離子交換樹脂可分離純化各種r蛋白；純化的r蛋白與純化的rRNA進(jìn)行核糖體的重組裝，顯示核糖體中r蛋白與rRNA的結(jié)構(gòu)關(guān)系雙向電泳技術(shù)可顯示出E.coli核糖體在裝配各階段中，與rRNA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r蛋白在結(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r蛋白在核糖體的亞單位上的定位。對(duì)rRNA，特別是對(duì)16SrRNA結(jié)構(gòu)的研究70S核糖體的小亞單位中rRNA與全部的r蛋白關(guān)系的空間模型第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二同一生物中不同種類的r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。不同生物同一種類r蛋白之間具有很高的同源性，并在進(jìn)化上非常保守。第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后層次性。

核糖體的重組裝是自我裝配過(guò)程第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二16SrRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是非常保守的16SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性：臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)

rRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性涉及多種作用力，如rRNA螺旋間的相互作用以及腺嘌呤插入螺旋小溝的作用力等。第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二蛋白質(zhì)合成過(guò)程中很多重

要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)涉及的多數(shù)因子為G蛋白(具有GTPase活性)，核糖體上與之相關(guān)位點(diǎn)稱為GTPase相關(guān)位點(diǎn)。最近人們成功地制備核糖體蛋白L11-rRNA復(fù)合物的晶體，獲得了其空間結(jié)構(gòu)高分辨率的三維圖象。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)雜和可能的作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有30多億年歷史的古老的高度復(fù)雜的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧秘邁出了極重要的一步。第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能分析

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)在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

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)與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)與新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——氨?；稽c(diǎn)，又稱A位點(diǎn)與延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——肽?；稽c(diǎn)，又稱P位點(diǎn)肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——E位點(diǎn)(exitsite)與肽酰tRNA從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶

(即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點(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、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點(diǎn)第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研究核糖體蛋白

在核糖體中rRNA是起主要作用的結(jié)構(gòu)成分r蛋白質(zhì)的主要功能第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二核糖體蛋白很難確定哪一種蛋白具有催化功能：在E.coli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“全”或“無(wú)”的影響。多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由于r蛋白的基因突變而往往是rRNA基因突變。

在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中rRNA的結(jié)構(gòu)比核糖體蛋白的結(jié)構(gòu)具有更高的保守性。以上現(xiàn)象給大家什么樣的提示？第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二在核糖體中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選擇性地結(jié)合,以及在肽鏈的延伸中與mRNA結(jié)合；核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀(proofreading)、無(wú)意義鏈或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都與rRNA有關(guān)。第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二r蛋白質(zhì)的主要功能對(duì)rRNA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,某些r蛋白可能對(duì)核糖體的構(gòu)象起“微調(diào)”作用；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。第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體(polyribosome或polysome)

蛋白質(zhì)的合成RNA在生命起源中的地位及其演化過(guò)程

第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、多聚核糖體

(polyribosome或polysome)

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，而是由多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條mRNA分子上高效地進(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

mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。

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(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。同一條mRNA被多個(gè)核糖體同時(shí)翻譯成蛋白質(zhì),大大提高了蛋白質(zhì)合成的速率. 以多聚核糖體的形式進(jìn)行多肽合成，對(duì)mRNA的利用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。更重要的是減輕了細(xì)胞核的負(fù)荷,減少了基因的拷貝數(shù),也減輕了細(xì)胞核進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄和加工的壓力。第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、RNA在生命起源中的地位及其演化過(guò)程生命是自我復(fù)制的體系DNA代替了RNA的遺傳信息功能蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能

第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二生命是自我復(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(cè)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)第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二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)。第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二蛋白質(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。第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二游離核糖體附著核糖體第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二翻轉(zhuǎn)90度第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二60S40S第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二原核生物與真核生物核糖體成分的比較

第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二E.coli核糖體小亞單位中rRNA與r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）（引自Albertsetal，1989）第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二E.coli（a）核糖體小亞單位中的部分r蛋白與rRNA的結(jié)合位點(diǎn)）（b）及其在小亞單位上的部位（引自Albertetal.，1989，圖a;Lewin,1997,圖b）第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

核糖體小亞單位rRNA的二級(jí)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(zhǎng)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(jí)結(jié)構(gòu)。(Darnelletal.，1990)第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二L11-rRNA復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)(引自Porseet.al.,1999)第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二酶作用物RNA酶作用物RNA裂開第34頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第35頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二核糖體最早是AlbertClaude于1930s后期用暗視野顯微鏡觀察細(xì)胞的勻漿物時(shí)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)稱為微體(Microsomes).1950s中期，GeorgePalade在電子顯微鏡下觀察到這種顆粒的存在。當(dāng)時(shí)GeorgePalade和他的同事研究了多種生物的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)中有類似的顆粒存在，尤其在進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的細(xì)胞中特別多。后來(lái)PhilipSiekevitz用亞細(xì)胞組份分離技術(shù)分離了這種顆粒，并發(fā)現(xiàn)這些顆?？偸前殡S內(nèi)質(zhì)網(wǎng)微粒體一起沉積?；瘜W(xué)分析揭示，這種微粒富含核苷酸，隨之命名為ribosome，主要成分是核糖體RNA(rRNA)，約占60%、蛋白質(zhì)(r蛋白質(zhì))約占40%。核糖體的蛋白質(zhì)合成功能是通過(guò)放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。將細(xì)胞與放射性標(biāo)記的氨基酸短暫接觸后進(jìn)行勻漿，然后分級(jí)分離，發(fā)現(xiàn)在微粒體部分有大量新合成的放射性標(biāo)記的蛋白質(zhì)。后將微粒體部分進(jìn)一步分離，得到核糖體和膜微粒，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明核糖體與蛋白質(zhì)合成有關(guān)。亞細(xì)胞組份分離技術(shù)和放射性標(biāo)記技術(shù)是發(fā)現(xiàn)核糖體和鑒定核糖體功能的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。第36頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二核酶發(fā)現(xiàn)的過(guò)程及其意義。1981年，ThomasCech和他的同事在研究四膜蟲的26SrRNA前體加工去除基因內(nèi)含子時(shí)獲得一個(gè)驚奇的發(fā)現(xiàn)∶內(nèi)含子的切除反應(yīng)發(fā)生在僅含有核苷酸和純化的26SrRNA前體的溶液中，其中不含有任何蛋白質(zhì)催化劑的。合理的解釋只能是:內(nèi)含子切除是由26SrRNA前體自身催化的，而不是蛋白質(zhì)。為了證明這一發(fā)現(xiàn)，他們將編碼26SrRNA前體DNA克隆到細(xì)菌中并且在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中轉(zhuǎn)錄成26SrRNA前體分子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種人工制備的26SrRNA前體分子在沒有任何蛋白質(zhì)催化劑存在的情況下，切除了前體分子中的內(nèi)含子。這種現(xiàn)象稱為自我剪接(self-splicing)，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)RNA具有催化化學(xué)反應(yīng)的活性，具有這種催化活性的RNA稱為核酶。這一發(fā)現(xiàn)之后不久，