细胞生物学06核糖体与核酶

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1、第第六六章章 .核核糖糖体体与与核核酶酶 核糖体 (ribosome)，是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particle), 其惟一功能是按照mRNA 的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链,所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。核糖体最早是Albert Claude 于 20 世纪 30 年代后期发现的, 其后又证明了其蛋白质合成功能。随着分子生物学的发展， 核糖体概念的涵意有了进一步的发展。细胞内除了从事蛋白质合成的核糖体外， 还有许多其它功能的核糖核蛋白体颗粒， 通常是一些小分子的RNA 同蛋白质组成的颗粒， 它们参与RNA 的加工、 RNA 的编辑、基因表达的

2、调控等。发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术是什么?( 发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术是什么?（答案） 答 : 核糖体最早是Albert Claude 于 1930s 后期用暗视野显微镜观察细胞的匀浆物时发现的，当时称为微体(Microsomes)，直到1950s 中期， George Palade 在电子显微镜下观察到这种颗粒的存在。当时George Palade 和他的同事研究了多种生物的细胞，发现细胞质中有类似的颗粒存在，尤其在进行蛋白质合成的细胞中特别多。后来Philip Siekevitz 用亚细胞组份分离技术分离了这种颗粒，并发现这些颗粒总是伴随内质网微粒体一起沉积。

3、化学分析揭示，这种微粒富含核苷酸，随之命名为ribosome，主要成分是核糖体RNA(rRNA)， 约占 60%、蛋白质 (r 蛋白质 )约占40%。核糖体的蛋白质合成功能是通过放射性标记实验发现的。将细胞与放射性标记的氨基酸短暂接触后进行匀浆，然后分级分离，发现在微粒体部分有大量新合成的放射性标记的蛋白质。后将微粒体部分进一步分离，得到核糖体和膜微粒，这一实验结果表明核糖体与蛋白质合成有关。两个关键技术是亚细胞组份分离技术和放射性标记技术。)6.1 核核糖糖体体的的形形态态结结构构核糖体是细胞内数量最多的细胞器，原核细胞和真核细胞都有核糖体，功能也相同，但是结构组成却有很大差别。6.1.1

4、核核糖糖体体的的类类型型和和化化学学组组成成 核核糖糖体体的的类类型型 按存在的部位:有三种类型核糖体，细胞质核糖体、线粒体核糖体、叶绿体核糖体。 按存在的生物类型: 分为两种类型，即真核生物核糖体和原核生物核糖体。原核细胞的核糖体较小， 沉降系数为70S，相对分子质量为2.5x103 kDa，由 50S和 30S 两个亚基组成(图 6-1)；而真核细胞的核糖体体积较大， 沉降系数是80S，相对分子质量为3.9 4.5x103 kDa， 由 60S 和 40S 两个亚基组成。图 6-1 从两个不同角度观察的E.coli 核糖体的三维结构 Mg2 + 的浓度对于大小亚基的聚合和解离有很大的影响，

5、 体外实验表明:70S 核糖体在Mg2 +的浓度小于1mmol/L 的溶液中易解离; 当 Mg2 +浓度大于10mmol/L， 两个核糖体通常形成100S 的二聚体 (图 6-2)。图 6-2 通过区带离心鉴定核糖体的亚基在低浓度的Mg2 +时，完整的核糖体将分成大小两个亚基。 在组成上，叶绿体中的核糖体与原核生物核糖体相同，但线粒体中核糖体的大小变化较大 (表 6-1)。表 6-1 不同类型核糖体的大小比较来源完整核糖体核糖体亚基核糖体 RNAs细胞质80S60S(大亚基)28S，5.8S，5S(真核生物) 40S(小亚基)18S，细胞质70S50S(大亚基)23S，5S(原核生物) 30S

6、(小亚基)16S线粒体55-60S45S(大亚基)16S(哺乳动物) 35S(小亚基)12S线粒体75S53S(大亚基)21S(酵母) 35S(小亚基)14S线粒体78S60S(大亚基)26S，5S(高等植物) 45S(小亚基)18S叶绿体70S50S(大亚基)23S，5S30S(小亚基)16S 核核糖糖体体的的化化学学组组成成核糖体的大小两个亚基都是由核糖体RNAs(rRNAs)和核糖体蛋白(ribosomal proteins)组成的， 原核生物和真核生物细胞质核糖体的大小亚基在蛋白质和RNA 的组成上都有较大的差别(图 6-3)图 6-3 典型的原核细胞和真核细胞质核糖体的化学组成6.1

7、.2 核核糖糖体体蛋蛋白白质质与与rRNA由于核糖体有着十分重要的生物学功能，所以有关其结构和各种结构域的功能，一直是研究的重点。为了建立一个完整的核糖体分子结构模型，必须了解构成核糖体的每一个蛋白质和rRNA 分子在核糖体中的位置。 核核糖糖体体蛋蛋白白通过电泳和层析等技术，已经鉴定了E.coli 核糖体小亚基的21 种蛋白质和大亚基的34 种蛋白质。小亚基的蛋白分别命名为S1 S21，大亚基的核糖体蛋白命名为 L1 L33。核糖体中的蛋白质除了一种具有四个拷贝外，其余都是一个拷贝。图6-4是 E.coli 小亚基21 种蛋白质的排列。图 6-4 E.coli 小亚基21 种蛋白质的排列 核

8、核糖糖体体rRNAHarry Holler 测定了E.coli 16S rRNA 序列，一共有1542 个核苷酸。通过计算机分析，发现不同生物来源的16S rRNA 的序列组成具有进化上的保守性。推测16S rRNA 结构有四个结构域， 每个结构域都有46%的碱基配对，形成螺旋的柄状结构 (图 6-5)。每一个柄状结构都很短，不到8 bp，且并不都是完全配对的。16S rRNA 的电子显微照片的形态与30S 核糖体亚基相似，因此认为30S 核糖体亚基的形态主要是由16S rRNA 决定的。图 6-5 E.coli 中 16S rRNA 分子折叠的二级结构折叠主要是由序列中互补碱基配对引起的。6

9、.1.3 细细菌菌核核糖糖体体的的结结构构模模型型为了揭示核糖体的空间结构以及核糖体蛋白质和rRNA 相互间的关系，分别用物理、化学以及显微技术进行了大量的研究工作，在这些研究工作的基础上提出了细菌核糖体的结构模型(图 6-6)。模型中蛋白质的定位是根据不同来源的资料分析综合后确定的，如S4、 S5、 S8 和 S12 等四个蛋白定位在核糖体的小亚基上，并且是背向大亚基，就是根据四种不同方法获得的资料，比较分析后确定的。图 6-6 E.coli 核糖体结构模型图中分别显示了小亚基、大亚基中一些核糖体蛋白质的位置，以及蛋白质合成过程中mRNA 在核糖体中的位置。 在该模型中确定了一些重要的功能区

10、和RNA 的结合位点 (图 6-7)。 图 6-7 核糖体结构及功能位点6.2 核核糖糖体体的的生生物物发发生生(biogenesis)核糖体的合成和装配过程相当复杂。真核细胞和原核细胞的核糖体合成和装配过程各不相同。核糖体的生物发生包括蛋白质和rRNA 的合成、核糖体亚基的组装等。6.2.1 核核糖糖体体rRNA 基基因因的的转转录录与与加加工工核糖体的组成成分是蛋白质和rRNA，所以编码核糖体的基因分为两类，一类是蛋白质基因，另一类是rRNA 基因。在生活细胞中，特别是在活跃进行蛋白质合成的细胞中，需要大量的核糖体，这就意味着需要合成大量的rRNA 和核糖体蛋白质。 编编码码 rRNA 基

11、基因因的的过过量量扩扩增增细胞为了满足大量需求的rRNA,通过两种方式扩大rRNA 基因的拷贝数： 在染色体上增加rRNA 基因的拷贝数，如在细菌E.coli 的基因组中有七套rRNA 基因，而典型的真核生物细胞含有几百到几千个28S、 18S 和 5.8S rRNA 基因的拷贝， 5S rRNA 基因的拷贝数多达50000 个。 通过 基因扩增 (gene amplification)( 细胞内选择性复制DNA, 产生大量的拷贝。如两栖类卵母细胞在发育的早期，rRNA 基因的数量扩增到1000 多倍。基因扩增是通过形成几千个核进行的，每个核里含有几百拷贝的编码28S、 18S 和5.8S 的

12、 rRNA 基因，最后卵母细胞中的这些rRNA 基因的拷贝数几乎达到50 万个，而在相同生物的其它类型细胞中，这些rRNA 基因的拷贝数只有几百个。卵母细胞中有如此众多的rRNA 基因拷贝，为卵细胞在受精后的发育过程中合成大量核糖体创造了条件。至于卵母细胞中rRNA 基因扩增的机制，有人认为可能是通过从染色体上分离出来的环状DNA 分子，这种环状DNA 中含有rRNA 基因，但是第一个含有rRNA 基因的环状DNA 是如何形成的尚不清楚。由于环状DNA 能够通过滚环复制(rolling circle replication)的方式进行复制，因而能够产生大量的rRNA 基因)。科学家用两栖类的卵

13、细胞(卵母细胞 )研究在发育过程中rRNA 基因的扩增。发现两栖类卵母细胞在发育的早期，rRNA 基因的数量扩增到1000 多倍 (图 6-8)。图 6-8 非洲爪蟾卵母细胞中rRNA 的合成卵母细胞中含有几百个核仁，每个核仁都含有扩增的rRNA 基因。 真真核核生生物物18S、 5.8S、 28S rRNA 和和 5SrRNA 基基因因编码 rRNA 基因的DNA 称为 rDNA。真核生物有四种rRNA 基因 , 其中 18S、 5.8S 和 28S rRNA 基因是串联在一起的,每个基因被间隔区隔开, 5S rRNA 基因则位于不同染色体上。说明人体单倍体染色体组中四种 rRNA 基因的组

14、成、排列方式和拷贝数。(说明人体单倍体染色体组中四种 rRNA 基因的组成、排列方式和拷贝数。 （答案） 答 : 在人基因组的四种rRNA 基因中， 18S、 5.8S 和 28S rRNA 基因是串联在一起的，每个基因被间隔区隔开， 5S 的 rRNA 基因则是编码在另一条染色体上。前 3 个基因组成一组， 分布在人的13、 14、 15、 21、 22 等 5 条染色体上。在间期核中， 所有这5 条染色体rRNA 基因区域， 转录时聚集在一起， 形成一个核仁。在人体单倍体染色体组中， 每组 rRNA 基因有200 个拷贝。每一拷贝为一个rDNA 转录单位。这3 个基因是纵向串联排列在核仁组

15、织者的DNA 上。真核细胞核糖体的5S rRNA 基因则是独立存在于一个或几个染色体上， 拷贝数达几千个。在人的细胞中， 该基因的拷贝有24000 个之多， 它们串联排列在1 号染色体接近末端处。) 18S、 5.8S、 28S rRNA 基基因因转转录录与与加加工工 转录蛋白与45S 的前体18S rRNA、 5.8S rRNA 和 28S rRNA 基因首先转录成一个45S 的前体rRNA(pre-rRNA)，大约是这3 个 rRNA 总长的2 倍。能够转录这3 个 rRNA 前体的 DNA 区域称为一个转录单位(transcription unit)，意指它们有一个共同的转录起点和转录终

16、点。在转录单位中除了这三个rRNA 基因外，还包括一些间隔区。 转录酶 :真核生物中参与rRNA 基因转录的酶是RNA 聚合酶 。 前体加工前体 rRNA 在核仁中被酶剪切成3 个 rRNA 产物， 转录间隔区则被降解掉。根据 3H 标记的尿嘧啶和放线菌素D 研究人的培养细胞前体rRNA 的合成的结果推测了前体rRNA 的加工过程(图 6-9)。图 6-9 45SrRNA 的加工过程在 rRNA 聚合酶 的作用下，将18S rRNA、 5.8S rRNA 和 28S rRNA 转录成45S 的前体，然后通过一系列的切割加工形成成熟的18S rRNA、 5.8S rRNA 和28S rRNA。其中5.8S 的 rRNA 通过互补碱基的氢键与28S rRNA 结合在一起。 虽然所有真核生物的18S、 5.8S 和 28S rRNA 基因是相同的， 并且在染色体上组成同一个转录单位， 但是不同生物中的18S、 5.8S 和 28S rRNA 基因的转录起点和间隔区的长短并不完全相同(图 6-10)。图 6-