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1、第十一章 核糖体(ribosome)核糖体 (ribosome) 是核糖核蛋白体的简称，是合成蛋白质的细胞元件，其唯一的功能就是按 照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成出多肽链。第十一章 核糖体(ribosome) 核糖体的基本类型 多聚核糖体与蛋白质的合成作业第一节 核糖体的基本类型 类型与组成成分 核糖体蛋白质与rRNA的功能分析一、核糖体的基本类型与成分 基本类型 附着核糖体 游离核糖体 70S的核糖体 80S的核糖体 主要成分 r-protein: 40%，核糖体表面 rRNA: 60%，核糖体内部游离于细胞质还是附着于ER存在于原核细胞还是真核细胞Free and membran
2、e-bound ribosomesComparison of ribosome structures: E.coli 70S (upper row in each panel, structure from 18,19) and yeast 80S (lower row in each panel) ribosomes, both limited to 35 resolution. (AJ) Rotational series, with a rotational increment around the vertical axis of 36. Scale bar 100 . (K) Exp
3、loded views of E.coli and yeast ribosomes, showing close correspondence of features of interface surfaces of ribosomal subunits, most notably the interface canyon (IC). CP, central protuberance; S, stalk; L1 or L1, L1 or L1 analog arm; h, head; g, neck groove; p, platform. Note that the lower right
4、portion of the small subunit and the lower left portion of the large subunit are surfaces where the sectioning plane has cut a mass that is merged between the two subunits at this resolution. (adapted from Nucleic Acids Research, 1998, 26(2):655-661)Comparison of Ribosomal Components between Prokary
5、otes and Eukaryotes speciesribosomesubunitrRNAr-proteinbacterium70S; 相对分子量 ：2.5106; 66%RNA.50S 23S=2904 bp5S=120 bp 3130S 16S=1542 bp 21mammalian80S; 相对分子量 ：4.2106; 60%RNA.60S 28S=4718 bp 5.8S=160 bp5S=120 bp 4940S 18S=1874 bp 33核糖体的结构 结构与功能的分析方法 蛋白质合成过程中很多重要步 骤与 50S 核糖体大亚单位相关结构与功能的分析方法离子交换树脂可分离纯化各种
6、 r 蛋白； 纯化的 r 蛋白与纯化的rRNA进行核糖体的重组装，显示 核糖体中 r 蛋白与rRNA的结构关系 双向电泳技术可显示出 E. coli 核糖体在装配各阶段中， 与rRNA结合的蛋白质的类型 双功能的交联剂和双向电泳分离可用于研究 r 蛋白在结 构上的相互关系 电镜负染色与免疫标记技术结合，研究 r 蛋白在核糖体 的亚单位上的定位。 对rRNA，特别是对16S rRNA结构的研究 70S核糖体的小亚单位中rRNA与全部的 r 蛋白关系的空 间模型同一生物中不同种类的 r 蛋白的一级结 构均不相同，在免疫学上几乎没有同源性 。不同生物同一种类 r 蛋白之间具有很高 的同源性， 并在进
7、化上非常保守。 E. coli (a) 核糖体小亚单位中的部分r蛋白与rRNA的结合位点(b) 及其在小亚单位上的部位蛋白质结合到rRNA上具有先后层次性；核糖体的重组装是自我装配过程。E. Coli 核糖体小亚单位中rRNA与 r 蛋白的相互关系示意图 线条表示相互作用及作用力的强（粗线）与弱（细线） （引自Alberts et al, 1989） 16S rRNA的一级结构是非常保守的； 16S rRNA的二级结构具有更高的保守性：臂环结构 (stem-loop structure) rRNA臂环结构的三级结构模型。 核糖体小亚单位rRNA的二级结构(a) E. coli 16S rRNA
8、；（红色为高度保守区）；(b) 酵母菌18S rRNA，它们都具有类似的40个臂环结构（图中140），其长度和位置往往非常保守；P、E分别代表仅在原核或真核细胞中存在的rRNA的二级结构。蛋白质合成过程中很多重 要步骤与50S核糖体大亚单位相关涉及的多数因子为G蛋白（具有GTPase活性），核糖体上与之相关位点称为GTPase相关位点。最近人们成功地制备L11-rRNA复合物的晶体，获得了其空间结构高分辨率的三维图象。这一结果证实了前人用各种实验所获得的种种结论。提出直观、可靠而且比人们的预料更为精巧复杂和可能的作用机制，从而为揭开核糖体这一具有30多亿年历史的、古老的、高度而复杂的分子机器的
9、运转奥秘迈出了极 重要的一步。L11- rRNA复合物的三维结构二、核糖体蛋白质与 rRNA 的功能分析 核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点 在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点与mRNA的结合位点； 与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点 氨酰基位 点，又称A位点； 与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点 肽酰基位 点，又称P位点； 肽酰转移后与即将释放的tRNA的结合位点 E位点(exit site)； 与肽酰-tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶 （即延伸因子EF-G) 的结合位点； 肽酰转移酶的催化位点； 与蛋白质合成
10、有关的其它起始因子、延伸因子和 终止因子的结合位点。(a)Important Binding Sites on the Prokaryotic Ribosome This model of ribosome structure shows the A (aminoacyl) and P (peptidyl) sites as cavities on the ribosome where charged (amino acid-carrying) tRNA molecules bind during polypeptide synthesis. The more recently postula
11、ted E (exit) site is the site from which discharged tRNAs leave the ribosome. The mRNA-binding site binds a particular nucleotide sequence near the 5 end of the mRNA, placing the mRNA in the proper position for the translation of its first codon. (a) The diagrammatic representation of a ribosome. Th
12、e pair of horizontal dashed lines indicate where the mRNA molecule lies. (b) A more realistic representation. The binding sites are all located at or near the interface between the large and small subunits. (b)在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究 核糖体蛋白 在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分 r 蛋白质的主要功能核糖体蛋白很难确定哪一种蛋白具有催化功能：在E. coli中核糖体蛋白
13、突变甚至缺失对蛋白质合成并没有表现出“全”或“无”的影响。多数抗蛋白质合成抑制剂的突变株，并非由于r 蛋白的基因突变而往往是 rRNA基因突变。在整个进化过程中rRNA的结构比核糖体蛋白的结构具有更高的保守性。在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分 具有肽酰转移酶的活性； 为tRNA提供结合位点（A位点、P位点和E位点）；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合；核糖体大小亚单位的结合、校正阅读(proof reading)、无意义链或框架漂移的校正、以及 抗菌素的作用等都与rRNA有关。r 蛋白质的主要功能对rRNA 折
14、叠成有功能的三维结构是十分重要的；在蛋白质合成中, 某些r蛋白可能对核糖体的构象起“微调”作用；在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中, 核糖体蛋白与rRNA共同行使功能。第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成 多聚核糖体 (polyribosome or polysome) 蛋白质的合成 (synthesis of the protein) RNA在生命起源中的地位及其演化过程一、多聚核糖体 (polyribosome or polysome)细胞内各种多肽的合成，不论其分子量的大小或是 mRNA的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数 目都大体相等。 以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA
15、的利 用及对其浓度的调控更为经济和有效。概念核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而 是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高 效地进行肽链的合成，这种具有特殊功能与形态结构 的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体。 多聚核糖体的生物学意义Visualizing transcription and translation(a)(b)Large subunitSmall subunitmRNALarge subunitSmall subunitCompleted polypeptide(a)(b)(c)Polyribosomes (a) Schematic drawing of a
16、 polyribsome (polysome). (b) Electron micrograph of a grazing section through the outer edge of a rough ER cisterna. The ribosomes are aligned in loops and spirals, indicating their attachment to mRNA molecules to form polysomes. (c) Electron micrograph of metal-shadowed polysomes isolated from reticulocytes engaged in hemoglobin synthesis. Most of these polysomes hav
