細(xì)胞生物學(xué)(第五版)-第10章 核糖體

細(xì)胞生物學(xué)（第5版）主編

丁明孝

王喜忠張傳茂

陳建國(guó)

第10章核糖體1953年Robinsin等用電鏡觀察植物細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種顆粒結(jié)構(gòu)1955年P(guān)alade在動(dòng)物細(xì)胞中也觀察到類似的結(jié)構(gòu)1958年Roberts建議把這種顆粒結(jié)構(gòu)命名為核糖核蛋白體，簡(jiǎn)稱核蛋白體或核糖體(ribosome)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僅發(fā)現(xiàn)在哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞等極個(gè)別高度分化的細(xì)胞內(nèi)沒有核糖體，線粒體和葉綠體中也含有核糖體。核糖體是細(xì)胞最基本的不可缺少的結(jié)構(gòu)。核糖體是一種不規(guī)則顆粒狀的結(jié)構(gòu)，其主要成分是RNA和蛋白質(zhì)，直徑約25nm

核糖體蛋白分子主要分布在核糖體表面，核糖體RNA(rRNA)位于內(nèi)部，二者靠共價(jià)鍵結(jié)合在一起。附著核糖體:附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面或原核細(xì)胞的質(zhì)膜內(nèi)側(cè)(外運(yùn)蛋白)游離核糖體:分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)(胞內(nèi)蛋白)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成完全相同，但合成的蛋白種類不同第一節(jié)核糖體的類型與結(jié)構(gòu)一、核糖體的基本類型與化學(xué)組成二、核糖體的結(jié)構(gòu)三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能一、核糖體的基本類型與化學(xué)組成

-原核細(xì)胞核糖體,70S核糖體，線粒體和葉綠體(近似70S)

-真核細(xì)胞核糖體,80S核糖體基本類型均由大小不同的兩個(gè)亞單位(subunit)構(gòu)成70S核糖體，相對(duì)分子質(zhì)量2500×103，Mg2+濃度增加，形成100S的二聚體，反之，離解為50S與30S的大小亞80S核糖體，相對(duì)分子質(zhì)量4200×103，Mg2+濃度增加，形成120S的二聚體，反之，離解為60S與40S的大小亞單位大、小亞單位只在合成蛋白質(zhì)時(shí)才結(jié)合在一起——小亞單位與mRNA結(jié)合，再與大亞單位結(jié)合表面有三個(gè)tRNA的70S核糖體藍(lán)色為50S亞基紫色為30S亞基P位點(diǎn)

E位點(diǎn)A位點(diǎn)二、核糖體的結(jié)構(gòu)rRNA:構(gòu)成核糖體的核心，決定其形態(tài)。蛋白質(zhì):位于核糖體的表面或填充rRNA之間的空隙，微調(diào)核糖體的結(jié)構(gòu)。對(duì)核糖體高分辨率的X射線衍射圖譜分析表明:1.每個(gè)核糖體含有4個(gè)RNA分子的結(jié)合位點(diǎn),其中1個(gè)位點(diǎn)供mRNA結(jié)合，3個(gè)位點(diǎn)供tRNA結(jié)合，分別為A,P和E位點(diǎn)。這些位點(diǎn)橫跨核糖體大小亞基結(jié)合面。2.在核糖體大小亞基結(jié)合面，特別是mRNA和tRNA結(jié)合處，無核糖體蛋白分布。這也意味著在核糖體起源之初可能僅由RNA組成。大腸桿菌70S完整核糖體X射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)4.核糖體蛋白質(zhì)大多具有一個(gè)球形結(jié)構(gòu)域和伸展的尾部。球形結(jié)構(gòu)域分布在核糖體表面，伸展的多肽鏈尾部則伸入核糖體內(nèi)折疊的rRNA分子中。3.催化肽鍵形成的活性位點(diǎn)由RNA組成。大腸桿菌70S完整核糖體X射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)核糖體RNA（16SrRNA結(jié)構(gòu)研究積累豐富資料）16SrRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是非常保守的，某些序列完全一致。二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性，折疊成相似的二級(jí)結(jié)構(gòu)——約含40個(gè)臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)，其中46%的堿基配對(duì)，雙螺旋區(qū)(臂)一般小于8bp。推測(cè)有4個(gè)結(jié)構(gòu)域。三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能①mRNA的結(jié)合位點(diǎn)—

mRNA與小亞基結(jié)合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)原核生物：核糖體與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)位于16SrRNA的3’端，位于起始密碼子上游5～10bp處（SD序列——mRNA有一段特殊的Shine-Dalgarno序列）。真核生物：核糖體小亞基與mRNA的結(jié)合依賴mRNA5’端甲基化帽子結(jié)構(gòu)。②A位點(diǎn)新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)即氨酰基位點(diǎn),主要在大亞基上，是接受氨?；?tRNA的部位

③P位點(diǎn)延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)，即肽?；稽c(diǎn)。主要在小亞基上，是釋放tRNA的部位。

④E位點(diǎn)(肽酰轉(zhuǎn)移后即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)。位于大亞基上，催化氨基酸間形成肽鍵，使肽鏈延長(zhǎng)。

⑤肽酰tRNA從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)相關(guān)轉(zhuǎn)移酶(即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點(diǎn)。EF-Tu、EF-G的一部分結(jié)合位點(diǎn)位于A位點(diǎn)和P位點(diǎn)的底部。⑥肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)，跨過A位點(diǎn)和P位點(diǎn)⑦蛋白質(zhì)合成相關(guān)的其他起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點(diǎn)。EF-Tu-GTP的功能是與氨酰-tRNA結(jié)合，將其帶到A位點(diǎn)核糖體的活性部位及其作用rRNA的主要功能①具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性.②為tRNA提供結(jié)合位點(diǎn)(A位點(diǎn)、P位點(diǎn)和E位點(diǎn)).③為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn).④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.⑤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)。第二節(jié)多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成

一、多核糖體二、蛋白質(zhì)的合成三、核糖體與RNA世界多核糖體模式圖一、多核糖體核糖體在細(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。多聚核糖體所包含的核糖體數(shù)量由mRNA的長(zhǎng)度來決定，相鄰的核糖體間約80個(gè)核苷酸的距離二、蛋白質(zhì)的合成

又稱蛋白質(zhì)的翻譯，是細(xì)胞中最復(fù)雜、最精確的生命活動(dòng)之一。蛋白質(zhì)合成需要各種攜帶氨基酸的tRNA、核糖體、mRNA、多種蛋白質(zhì)因子、陽離子及GTP等的參與起始(Initiation)包括核糖體與mRNA結(jié)合，形成起始復(fù)合物，其中含有第一個(gè)氨酰-tRNA。延伸(Elongation)包括從第一個(gè)肽鍵形成到最后一個(gè)氨基酸摻入過程中所有的反應(yīng)。終止(Termination)包括釋放完整的多肽鏈及核糖體與mRNA分離。每一步都需要不同的輔助因子參與，能量由GTP水解提供。蛋白質(zhì)合成分為三步：（一）肽鏈的起始1.30S小亞基與mRNA的結(jié)合蛋白質(zhì)合成起始階段，mRNA只能夠與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中游離的核糖體30S小亞基結(jié)合。結(jié)合部位是mRNA的起始密碼子(initiationcodon)AUG。SD序列為：5’…AGGAGG…3’16SrRNA3，端與此互補(bǔ)的序列為：3，…UCCUCC…5’在細(xì)菌mRNA起始密碼子AUG上游5～10個(gè)堿基處有一段特殊的序列，即SD序列。SD序列能與核糖體小亞基16SrRNA3，端的堿基序列互補(bǔ)結(jié)合，從而保證30S小亞基能準(zhǔn)確識(shí)別起始密碼子AUG，并結(jié)合到mRNA。真核細(xì)胞蛋白質(zhì)翻譯的起始與原核細(xì)胞差異：真核細(xì)胞40S小亞基識(shí)別mRNA結(jié)合位點(diǎn)的機(jī)制不同，小亞基首先識(shí)別mRNA5’端甲基化帽子，然后沿著mRNA移動(dòng)掃描，直到第一個(gè)AUG的出現(xiàn)為止。5’-端加帽:成熟的真核生物mRNA的5’-端有m7GPPPN結(jié)構(gòu)，它是在RNA三磷酸酶，mRNA鳥苷酰轉(zhuǎn)移酶，mRNA（鳥嘌呤-7）甲基轉(zhuǎn)移酶和mRNA（核苷-2’）甲基轉(zhuǎn)移酶催化形成的。30S小亞基與mRNA的結(jié)合需要起始因子(initiationfactor，IF)的幫助。這些起始因子僅位于30S亞基上。一旦30S亞基與50S亞基結(jié)合形成70S核糖體后便釋放。起始因子的主要作用：幫助形成起始復(fù)合物。原核細(xì)胞有3種起始因子：IF1、IF2和IF3。

IFl與30S亞基A位點(diǎn)結(jié)合，協(xié)助30S亞基與mRNA的結(jié)合，防止氨酰-tRNA錯(cuò)誤進(jìn)入核糖體的A位點(diǎn)IF2是一種GTP結(jié)合蛋白，協(xié)助第一個(gè)氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體IF3能防止核糖體50S大亞基提前與小亞基結(jié)合，并有助第一個(gè)氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體，在調(diào)節(jié)核糖體動(dòng)態(tài)平衡以及30S亞基與mRNA結(jié)合能力方面發(fā)揮了重要作用。30S-IFl復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)顯示在蛋白質(zhì)翻譯起始階段，30S亞基所有的tRNA結(jié)合位點(diǎn)都被占據(jù)：如A位點(diǎn)被IFl占據(jù)，P位點(diǎn)被起始tRNA占據(jù)，E位點(diǎn)被IF3占據(jù)。其生物學(xué)意義可能與蛋白質(zhì)合成的正確起始有關(guān)2．第一個(gè)氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體

當(dāng)mRNA與小亞基結(jié)合后，攜帶有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA(tRNAiMet)進(jìn)入核糖體P位點(diǎn)，通過反密碼子與mRNA中的AUG識(shí)別，之后釋放IF3。一旦起始tRNA與AUG密碼子結(jié)合，核糖體大亞基便與起始復(fù)合物結(jié)合，形成完整的70S核糖體——mRNA起始復(fù)合物。該過程伴隨與IF2結(jié)合的GTP水解，IFl、IF2和IF3釋放。3.完整起始復(fù)合物的裝配(二)肽鏈的延伸—旦起始復(fù)合物形成，蛋白質(zhì)合成隨即開始，這一過程稱為肽鏈的延伸。主要包括4個(gè)步驟：

1、氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體A位點(diǎn)的選擇2、肽鍵的形成3、轉(zhuǎn)位(translocation)4、脫氨酰-tRNA的釋放。1.氨酰-tRNA在核糖體A位點(diǎn)的入位

起始的tRNAiMet占據(jù)P位點(diǎn)，核糖體接受第2個(gè)氨酰-tRNA進(jìn)入A位點(diǎn)，這就是肽鏈延伸的第一步。為了有效地結(jié)合A位點(diǎn)，第二個(gè)氨酰-tRNA必須與有GTP的延伸因子(elongationfactor，EF)EF-Tu結(jié)合形成復(fù)合物氨酰-tRNA·EF-Tu·GTP。盡管任何形成復(fù)合物的氨酰-tRNA都能夠進(jìn)入A位點(diǎn)，但只有其反密碼子能與A位點(diǎn)的mRNA密碼子匹配的氨?！猼RNA才能被核糖體牢牢捕捉并定位在A位點(diǎn)，從而保證正確識(shí)別tRNA。到位后，結(jié)合在EF-Tu上的GTP水解，EF-Tu連同結(jié)合在一起的GDP離開核糖體，被另一個(gè)因子EF-Ts介導(dǎo)生成EF-Tu·GTP。2．肽鍵的形成當(dāng)核糖體的P位點(diǎn)與A位點(diǎn)都有tRNA時(shí)，通過肽鍵的生成將兩個(gè)氨基酸結(jié)合起來。具體來講，是A位點(diǎn)氨酰-tRNA氨基酸的氨基與P位點(diǎn)tRNA上氨基酸的羧基形成肽鍵。這一反應(yīng)由肽酰轉(zhuǎn)移酶催化，該酶是核糖體大亞基rRNA，活性位點(diǎn)位于23SrRNA結(jié)構(gòu)域V的中央環(huán)。形成第一個(gè)肽鍵時(shí)，A位點(diǎn)的tRNA分子一端仍然與mRNA的密碼子結(jié)合，另一端與—個(gè)二肽結(jié)合。此時(shí)，P位點(diǎn)的tRNA分子已經(jīng)如釋重負(fù)，沒有攜帶任何氨基酸。3、轉(zhuǎn)位：即核糖體沿著mRNA分子的5，→3，方向移動(dòng)3個(gè)核苷酸(一個(gè)密碼子)。在轉(zhuǎn)位過程中，攜帶二肽的tRNA從A位點(diǎn)移位到P位點(diǎn)，而沒有攜帶任何氨基酸的tRNA從P位點(diǎn)移位到E位點(diǎn)。原核細(xì)胞GTP結(jié)合的延伸因子EF-G能促進(jìn)移位過程的發(fā)生(真核生物是延伸因子eEF2)。

4．脫氨酰-tRNA的釋放延伸反應(yīng)的最后—步是脫氨酰-tRNA離開核糖體E位點(diǎn)一旦肽酰-tRNA通過轉(zhuǎn)位從A位點(diǎn)移位到P位點(diǎn)后，A位點(diǎn)再次接受下一個(gè)能與mRNA第三個(gè)密碼子匹配的氨酰-tRNA，又開始新的肽鏈延伸循環(huán)。(三)肽鏈的終止釋放因子(release

factor，RF):

RFl可識(shí)別UAA或UAG

RF2識(shí)別UAA或UGA

催化蛋白質(zhì)合成的終(termination)。

如果A位點(diǎn)mRNA是UAA、UGA或UAG終止密碼子(terminationcodon或stopcodon)，由于沒有與之匹配的反密碼子，氨酰-tRNA不能結(jié)合到核糖體上，于是蛋白質(zhì)合成終止。RFl或RF2識(shí)別A位點(diǎn)的終止密碼子并促使肽酰轉(zhuǎn)移酶催化水分子添加到肽酰-tRNA上。這一過程實(shí)際上與肽鍵形成類似，只不過是水分子代替了氨基成為活化肽?；氖荏w。這一反應(yīng)使得多肽鏈末端的羧基游離出來，肽鏈延伸終止形成完整的蛋白鏈。蛋白鏈隨即脫離核糖體進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，而核糖體也從mRNA上釋放下來，解離成30S和50S亞基。新生肽鏈通過核糖體大亞基的一個(gè)特定通道進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，該通道稱為肽通道。大小為10nm×5nm，是—個(gè)親水性通道，內(nèi)壁主要由23SrRNA組成，新生肽鏈能順利地通過肽通道。從核糖體釋放后，新合成的蛋白質(zhì)將在分子伴侶的幫助下，形成正確的三維構(gòu)象。三、核糖體與RNA世界

(一)核糖體的本質(zhì)是核酶核酶是指一類具