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1、l第九章 核糖体 一、核糖体的结构及功能 l 核糖体是体积较小的无膜包围的细胞器官，在光镜下看不到 ，1958年才把这种含有大量RNA的合成蛋白质的关键装置定名 为核糖核蛋白体ribosome，简称为核糖体。 （一）核糖体的一般性质 1. 存在与分布 l 核糖体存在一切生物的细胞中，包括真核细胞和原核细胞， 这是有别于其它细胞器的特点。在真核细胞中，有些ribosome是 游离分布在细胞质基质中，也有许多是附着在rER膜及核膜外表 ，此外，还有ribosome是分布在线粒体和叶绿体基质中，在原核 细胞中大量核糖体游离在细胞质中，也有的附着在质膜内侧面， 细菌的核糖体占总重量的25-30%。 2
2、. 形态和大小 l 一般直径12-30nm，由大、小两亚单位构成，通常是以大 亚单位附在内质网膜or核膜外表。当进行蛋白质合成时，小亚单 位先接触mRNA才与大亚unit结合，而合成完毕后又自行解离分 开。另外，多个核糖体还可由mRNA串联成多聚核糖体 polyribosome(=polysome)，每个多聚核糖体往往由5-6个 ribosme串成，但也有多至50个以上的（eg肌细胞中合成肌球蛋 白质的多聚核糖体由60-80个串联而成）。 l 大、小亚单位的组成解离有利于ribosome位置不固定可移 动到细胞中任意地方进行合成蛋白质功能。 3. 红细胞无ribosome但有大量的血红蛋白，矛
3、盾吗？不矛盾，因为 血红蛋白是红细胞的前体产生积累的，但成熟的红细胞无 ribosome，不产蛋白。 细胞中的ribosome数量多少不一，一般来说，增殖速度快 的细胞中，分泌蛋白质的分泌细胞中也较多，例如分泌胆汗的肝 细胞中为6106个，大肠杆菌为150015000个，在不同类型生 物细胞之中，核糖体大小及组分都有一定差异，一般可分为两大 类，80S型和70S型。 l 原核生物核糖体70S：大亚单位50S，小亚单位30S l 真核生物核糖体80S：大亚单位60S，小亚单位40S l “S”是沉降系数衡量单位，大、小亚单位组成ribosome并非S值 的直接相加，这里因为S值的变化与颗粒体积及
4、形状有关。 l 叶绿体中的ribosome与原核生物similar，而线粒体中的ribosome 较小且多变，eg 哺乳动物的线粒体ribosome是55S，一般将它们都划 分到原核生物的70S型。 （二）核糖体的化学组成： l 主要组分是蛋白质和RNA，极少或无脂类，70S型ribosome中，蛋白 质：rRNA约1：2，80S型核糖体中，蛋白质：rRNA约1：1 1. rRNA类型： l rRNA可占细胞中RNA总量的80%以上，rRNA在ribosome内部构成特 定臂环结构 ： 核糖体来源 核糖体 大亚单位 小亚单位 rRNA 蛋白质数量 大亚单位 小亚单位 大亚单位 小亚单位 真核细
5、胞 80S 60S 40S 28S+5.8S5S 18S 49 33 原核细胞 70S 50S 30S 23S+5S 16S 31 21 线粒体 55S 35S 25S 21S+5S 12S l 核糖体的组成 l 70S和80S型ribosome都含有5SrRNA，其结构大小十 分接近，都由120和121个核苷酸组成，这表明古核生物，原 核生物和真核生物在进化上的亲缘关系，是残存在物体内的“ 分子化石”。 l 80S ribosome还含有真核生物特有的5.8srRNA，它以 H链与28srRNA结合，也可解离。 2. ribosome 蛋白质类型（type）： l 类型见上表，蛋白质分不同层
6、次先后与rRNA联结组装。 （三）核糖体结构 1. 核糖体的外部构型（图9-1） l 原一般描绘核糖体是由一大一小的亚unit组成“不倒翁”形 ，现已知这两个亚unit其实是“无指手套”状弯曲不规则形，结合 时，大小unit以其凹槽形成mRNA穿过的通道，而大亚unit内部还 有一条垂直于通道的隧道，新合成的多肽链则由此隧道穿出，可保 护多肽不被蛋白质水解酶所分解。 l Ribosome构型稳定性依靠Mg2+离子，低波度的Mg2+是核糖 体结构的粘聚剂，离体试验中，当去除Mg2+时，大、小亚单位分 离，当Mg2+离子浓度达0.001M时，大小亚单位结合成单个 ribosome，当Mg2+时再时
7、，2个单体还可聚合成二聚体。 2. 核糖体的活性部位： l 有6个与蛋白质合成功能相关的结合位点与催化位点： l1）与mRNA的结合位点； l2）与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点氨酰基位点，A位点； l3）与延伸中的肽酰tRNA的结合位点肽酰基位点，P位 点； l4）肽酰转移后即将释放的tRNA结合位点，E位点； l5）使肽酰tRNA从A site移到P位点的移位酶（即这种因子EF-G ） 的结合site； l6）肽酰转移酶的催化位点。 l rRNA在ribosome进行蛋白质合成中的主要功能是： l1）具有肽酰转移酶的活性； l2）为tRNA提供结合位点（A位点，P位点和E位点）； l3）
8、为多种蛋白质合成因子提供结合site（位点）； l4）在合成起始及肽链延伸中与mRNA结合。 l 核糖体蛋白质的功能推测是： l1）促进rRNA折叠成有功能的多臂环三维结构； l2）对ribosome构象变化有调控作用。 l 高效多聚ribosome上的每个ribosome在mRNA上的不同部 位边读码边合成多肽链，最多能合成5条，当ribosome向前移， 新的一个进入，而不是每个ribosome只合成蛋白质的某一段。 二、多聚ribosome与蛋白质合成 （一）多聚核糖体 l 由多个甚至几十个核糖体串联在一条mRNA上高效地进行 多肽链合成，每条多聚核糖体上所具有的ribosome数目取决
9、 于mRNA的长度，即mRNA越长，ribosome就越多，多肽链 合成速率提高与结合在mRNA上的核糖体数目成正比。真核细 胞中多聚核糖体通常是附着于内质网膜外or游离在细胞质基质 中（可能是附着在细胞骨架上）这是对mRNA高效利用和对多 肽链合成数量调控的最佳方式。 Protein Synthesis （二）ribosome上蛋白质合成的基本环节（以原核细胞为例）： 1. mRNA 与ribosome小亚单位结合，甲酰甲硫氨酸tRNA的 反密码子与mRNA的起始code配对。 2. ribosome大亚unit与小亚unit结合，GTP水解供能，使甲酰甲 硫氨酸-tRNA占据P位点。 3.
10、 新的氨酰-tRNA反密码子与mRNA上code靠拢，GTP水解供能 ，帮助其进入A site与code配对（match）。 4. 由肽酰转移酶催化、GTP供能，使P位的甲酰甲硫氨酸与A位的 氨基酸连成肽链 5. 肽酰tRNA从A位transmit到P位上，A site空出，同时原处P 位的空载tRNA移至E位释放。 6. ribosome沿mRNA 5-3相对移动一个code，A位再次安置一个 氨酰-tRNA。 7. 重复多次发生向P位移位，肽链随之不断延伸。 8. mRNA上暴露出终止code，蛋白质合成终止，多肽链脱离 ribosome大小亚unit分离。 （三）核糖体的分离和重组： l
11、 以生化实验技术，可在体外条件下将ribosome中的rRNA & 蛋 白质全部分离提纯，也能再将这些组分重新组成有活性的ribosome（ 这些分离后的组分若将其混合，在无细胞结构的条件下，它们能自行 装配，只要给这样重建的ribosome提供合适的工作条件，包括 mRNA、tRNA、能量、氨基酸和辅助因子等，它们就又能有活性地 合成多肽链，这种重组现象称为“自组装”）。 l 核糖体是一种典型的自组装结构，在其自组装过程中发现，有 一些蛋白质是直接与rRNA结合，称为初级结合蛋白，而另有些蛋白 却不直接与rRNA结合，而是与初级结合蛋白质结合的次级结合蛋白 质，也就是说ribosome上蛋白
12、质装配是有一定顺序和规律的。 核糖体组装 lrRNA基因是重复的多拷贝基因。人的一个细胞中约有 200个拷贝，rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节 段，相邻基因之间为非转录的间隔DNA。 l转录时，RNA聚合酶沿DNA分子排列，此酶由基因头端向末端移动， 转录好的rRNA分子从聚合酶处伸出，愈近末端愈长，从左右两侧均 可伸出，呈羽毛状（“圣诞树”） 。 rRNA首先出现在纤维部，而 后转向颗粒部。 l纤维部的纤维状物质是新合 成的45SrRNA，它与蛋白质 形成RNP复合体。45SrRNA 甲基化以后经RNA酶裂解形 成18s、28s、5.8srRNA。成 熟的rRNA仅为45srRNA的
13、一 半，丢失的大部分是非甲基 化和GC含量较高的区域。 l5SrRNA通常定位在常染色体，合成后被转运至核仁区参 与大亚基的装配 。 l 核糖体还有如下特点： 1. 大小亚unit的蛋白质都有专一性结合特性，即细菌大亚单位的 蛋白质专门和23s rRNA结合，而小亚单位的蛋白质却专门和16s rRNA结合。 2. 细菌核糖体小亚单位蛋白质无种族特异性，即由不同细菌种群 提取的小亚unit的蛋白质和rRNA随机混合，均可装配成有功能 的30S亚unit这说明原核生物ribosome进化保守性（抗生素的广 谱杀菌）作用。 3. 原核生物和真核生物ribosome与亚unit彼此不同，二者组装的 杂
14、交ribosome，不能合成蛋白质。 4. 大肠杆菌与玉米叶绿体的ribosome相似，可相互交换亚unit， 仍具有合成功能（内共生起源依据）。 5. 线粒体的ribosome与原核生物的差异较大，将它们亚unit相互 交换杂交ribosome无功能。 l三、RNA在生命起源中的地位： l 具有催化作用的一系列RNA，统称核酶（ribo zyme）。 rRNA已知具肽酰转移酶活性，因为推测原始生命体中的起始生 物大分子应既有遗传信息载体功能又有酶催化功能。又因为DNA 只有其一功能而无其二，蛋白质则有其二而无其一，仅RNA是两 者皆有，所以推论认为RNA是地球生命起源的最早生物大分子， 在漫长的进化过程中DNA与蛋白质逐渐大部分替代了RNA的遗传 信息载体与催化功能，才演化成今天的细胞内遗传信息传递装置 程序。 l 推论ribosome是最早出现的细胞 organ?对吗？ l习题： l一. 名词解释： l 1. 多聚核糖体. l 2. 自组装. l 3. 核酶. l 4. 自组装 l二. 问答题： l 1. 核糖体大、小亚基在蛋白质合成过程中的装配与解离有何生 物学意义？ l 2. 氯霉素等抗生素具有广谱杀菌作用，原因是什么？
