第九章 核糖體(ribosome)

第九章核糖體RIBOSOME第九章核糖體(ribosome)

核糖體是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器；

核糖體幾乎存在于一切細(xì)胞內(nèi)，不論是原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞。

核糖體的類型與結(jié)構(gòu)

多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成

反義RNA與核酶第一節(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

一、核糖體的基本類型與成分

核糖核蛋白體,簡稱核糖體(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

發(fā)現(xiàn)核糖體的兩個關(guān)鍵技術(shù)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)合成過程中很多重要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)

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rRNA，特別是對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

同一生物中不同種類的r蛋白的一級結(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。

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程

二十世紀(jì)六十年代初期RobertPerry用紫外微光束破壞活細(xì)胞的核仁，發(fā)現(xiàn)破壞了核仁的細(xì)胞喪失合成rRNA的能力，這一發(fā)現(xiàn)提示核仁與核糖體的形成有關(guān)。后來Perry又發(fā)現(xiàn)低濃度的放線菌素D能夠抑制3H-尿嘧啶摻入rRNA中，而不影響其他種類的RNA合成。顯微放射自顯影也顯示放線菌素D能夠選擇性阻止核仁RNA的合成，表明核仁與rRNA的合成有關(guān)。

16SrRNA的一級結(jié)構(gòu)是非常保守的

16SrRNA的二級結(jié)構(gòu)具有更高的保守性：

臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)

rRNA臂環(huán)結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)模型蛋白質(zhì)合成過程中很多重

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)果證實了前人用各種實驗技術(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。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

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)——肽酰基位點(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)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)——肽酰基位點(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)

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蛋白質(zhì)合成并沒有表現(xiàn)出“全”或“無”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。

在整個進(jìn)化過程中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。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)。r蛋白質(zhì)的主要功能

對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

蛋白質(zhì)合成的起始(initiation)、多肽鏈的延伸(elongation)、終止(termination)

RNA在生命起源中的地位及其演化過程

一、多聚核糖體(polyribosome或polysome)

概念核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個甚至幾十個核糖體串連在一條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的長短如何，單位時間內(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。三、RNA在生命起源中的地位及其演化過程

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

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。核糖體的類型●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?！癜创嬖诘纳镱愋?分為兩種類型，即真核生物核糖體和原核生物核糖體。原核細(xì)胞的核糖體較小，沉降系數(shù)為70S，相對分子質(zhì)量為2.5x103kDa，由50S和30S兩個亞基組成；而真核細(xì)胞的核糖體體積較大，沉降系數(shù)是80S，相對分子質(zhì)量為3.9～4.5x103kDa，由60S和40S兩個亞基組成。從兩個不同角度觀察的E.coli核糖體的三維結(jié)構(gòu)Mg2+的濃度對于大小亞基的聚合和解離有很大的影響，體外實驗表明:70S核糖體在Mg2+的濃度小于1mmol/L的溶液中易解離；當(dāng)Mg2+濃度大于10mmol/L，兩個核糖體通常形成100S的二聚體；在低濃度的Mg2時，完整的核糖體將分成大小兩個亞基。不同類型核糖體的大小比較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原核生物與真核生物核糖體成分的比較

典型的原核細(xì)胞和真核細(xì)胞質(zhì)核糖體的化學(xué)組成發(fā)現(xiàn)核糖體及核糖體功能鑒定的兩個關(guān)鍵技術(shù)核糖體最早是AlbertClaude于1930s后期用暗視野顯微鏡觀察細(xì)胞的勻漿物時發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時稱為微體(Microsomes)，直到1950s中期，GeorgePalade在電子顯微鏡下觀察到這種顆粒的存在。并進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)多種生物的細(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；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)這些顆粒總是伴隨內(nèi)質(zhì)網(wǎng)微粒體一起沉積。化學(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)合成功能是通過放射性標(biāo)記實驗發(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，這一實驗結(jié)果表明核糖體與蛋白質(zhì)合成有關(guān)。兩個關(guān)鍵技術(shù)是亞細(xì)胞組份分離技術(shù)和放射性標(biāo)記技術(shù)。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）核糖體蛋白通過電泳和層析等技術(shù)，已經(jīng)鑒定了E.coli核糖體小亞基的21種蛋白質(zhì)和大亞基的34種蛋白質(zhì)。小亞基的蛋白分別命名為S1～S21，大亞基的核糖體蛋白命名為L1～L33。核糖體中的蛋白質(zhì)除了一種具有四個拷貝外，其余都是一個拷貝。圖示為E.coli小亞基21種蛋白質(zhì)的排列。E.coli核糖體結(jié)構(gòu)模型E.coli小亞基的裝配圖粗箭頭表示結(jié)合力強(qiáng)，細(xì)箭頭表示力弱。如S4與16SrRNA之間是粗箭頭，表示S4可直接與16SrRNA結(jié)合而不需要其他蛋白的存在。而S7與16SrRNA的結(jié)合力很弱，并且需要S4、S8、S9、S19、S20蛋白的存在。自組裝(self-assembly):1968年，MasayasuNomura把拆開的大腸桿菌核糖體的30S小亞基的21種蛋白質(zhì)與16SrRNA在體外混合后重新裝配成30S小亞基，然后把重建的小亞基同50S大亞基以及其他輔助因子混合后，進(jìn)行蛋白質(zhì)合成實驗，發(fā)現(xiàn)重建的核糖體具有生物活性，能催化氨基酸摻入到蛋白質(zhì)多肽鏈中。這一實驗表明，核糖體是一種自組裝(self-assembly)的結(jié)構(gòu)，即沒有樣板或親體結(jié)構(gòu)所組成的結(jié)構(gòu)。但是在組裝過程中，某些蛋白質(zhì)必須首先結(jié)合到rRNA上，其他蛋白才能組裝上去，即組裝過程有先后層次有人用核糖體重組實驗得到一些重要的結(jié)論：

30S亞基的蛋白質(zhì)專同16SrRNA結(jié)合;50S亞基的蛋白質(zhì)只同23SrRNA結(jié)合，如果把30S亞基rRNA和50S亞基的蛋白質(zhì)相混合，則不能裝配成有功能的亞基。

從不同種細(xì)菌提取30S亞基的rRNA和蛋白質(zhì)，可裝配成有功能的30S亞基，這表明不存在種間差異。

原核生物核糖體與真核生物核糖體的亞基彼此不同，由二者的rRNA和蛋白質(zhì)重組后的核糖體沒有功能。

大腸桿菌的核糖體與玉米葉綠體核糖體亞基重組后具有功能。

由于不同生物的線粒體核糖體大小不同，由55S到80S不等，而原核生物的核糖體基本穩(wěn)定，所以線粒體的核糖體亞基同原核生物核糖體亞基相互交換形成的雜合核糖體沒有功能。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）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)核糖體rRNAHarryHoller測定了E.coli16SrRNA序列，一共有1542個核苷酸。通過計算機(jī)分析，發(fā)現(xiàn)不同生物來源的16SrRNA的序列組成具有進(jìn)化上的保守性。推測16SrRNA結(jié)構(gòu)有四個結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域都有46%的堿基配對，形成螺旋的柄狀結(jié)構(gòu)。每一個柄狀結(jié)構(gòu)都很短，不到8bp，且并不都是完全配對的。16SrRNA的電子顯微照片的形態(tài)與30S核糖體亞基相似，因此認(rèn)為30S核糖體亞基的形態(tài)主要是由16SrRNA決定的。折疊主要是由序列中互補(bǔ)堿基配對引起的SD序列(SDsequence)典型的細(xì)菌核糖體與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)，mRNA中的SD序列與核糖體16SrRNA3'端互補(bǔ)。在SD序列的下游5～10個堿基處是起始密碼AUG或GUG。在原核生物中,核糖體中與mRNA結(jié)合位點(diǎn)位于16SrRNA

的3＇端,mRNA中與核糖體16SrRNA結(jié)合的序列稱為SD序列(SDsequence),它是1974年由J.Shine

和L.Dalgarno發(fā)現(xiàn)的,故此而命名。SD序列是mRNA中5＇端富含嘌呤的短核苷酸序列,一般位于mRNA的起始密碼AUG的上游5～10個堿基處,并且同16SrRNA3＇端的序列互補(bǔ)。L11-rRNA復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)(引自Porseet.al.,1999)在蛋白質(zhì)合成過程中，同一條mRNA分子能夠同多個核糖體結(jié)合，同時合成若干條蛋白質(zhì)多肽鏈，結(jié)合在同一條mRNA上的核糖體就稱為多聚核糖體(polysome

或polyribosomes),圖中所示是蠶的絲心蛋白mRNA3‘端多聚核糖體，箭頭所示是絲心蛋白多肽；多聚核糖體形成的意義何在:同一條mRNA被多個核糖體同時翻譯成蛋白質(zhì)，大大提高了蛋白質(zhì)合成的速率，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)，也也減輕了細(xì)胞核進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄和加工的壓力。多聚核糖體的形成在mRNA的起始密碼子部位，核糖體亞基裝配成完整的起始復(fù)合物，然后向mRNA的3＇端移動，直到到達(dá)終止密碼子處。當(dāng)?shù)谝粋€核糖體離開起始密碼子后，空出的起始密碼子的位置足夠與另一個核糖體結(jié)合時，第二個核糖體的小亞基就會結(jié)合上來，并裝配成完整的起始復(fù)合物，開始蛋白質(zhì)的合成。同樣，第三個核糖體、第四個核糖體、……依次結(jié)合到mRNA上。根據(jù)電子顯微照片推算，多聚核糖體中，每個核糖體間相隔約80個核苷酸。A位點(diǎn)(Asite)即氨?；稽c(diǎn)，是與新?lián)饺氲陌滨RNA(aminoacyl-tRNA)結(jié)合的位點(diǎn),又叫受位(entrysite)，主要位于大亞基，是接受氨酰tRNA的部位；P位點(diǎn)(Psite)即肽酰tRNA位點(diǎn)(peptidyl-tRNAsite),又叫供位(donorsite),或肽?；稽c(diǎn),主要位于大亞基,是肽基tRNA移交肽鏈后肽酰tRNA所占據(jù)的位置,即與延伸中的肽酰tRNA結(jié)合位點(diǎn)；E位點(diǎn)(exitsite,Esite)

E位點(diǎn)是脫氨酰tRNA(deaminoacyl-tRNA)離開A位點(diǎn)到完全從核糖體釋放出來的一個中間?？奎c(diǎn),只是作暫時的停留。當(dāng)E位點(diǎn)被占據(jù)之后,A位點(diǎn)同氨酰tRNA的親和力降低,防止了氨酰tRNA的結(jié)合,直到核糖體準(zhǔn)備就緒,E位點(diǎn)騰空,才會接受下一個氨酰tRNA。如何根據(jù)嘌呤霉素實驗的結(jié)果判斷核糖體中的A、P是兩個分開的獨(dú)立位點(diǎn):在第一組實驗中，只有起始tRNA占據(jù)P位，如果A位點(diǎn)是一個獨(dú)立位點(diǎn)的話，此時的A位點(diǎn)就是空閑的，嘌呤霉素當(dāng)然能夠結(jié)合上去，如果A位點(diǎn)與P位點(diǎn)是同一位點(diǎn)，那么嘌呤霉素就不能與核糖體結(jié)合，實驗結(jié)果是嘌呤霉素能夠結(jié)合；在第二組實驗中，由于A位點(diǎn)已經(jīng)被二肽酰tRNA占據(jù)，所以嘌呤霉素?zé)o法與A位點(diǎn)結(jié)合，只有加入延伸因子和GTP后，使A位點(diǎn)騰空，嘌呤霉素才能結(jié)合到核糖體上。因此兩根據(jù)這兩組實驗結(jié)果可以斷定A、P是兩個獨(dú)立的功能位點(diǎn)。