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1、细胞生物学11-核糖体Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第十一章第十一章 核糖体核糖体(ribosome) 核糖体的基本类型核糖体的基本类型 多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体与蛋白质的合成作业作业第一节第一节 核糖体的基本类型核糖体的基本类型 类型与组成成分类型与组成成分 核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与 rRNA的功能分析的功能分析一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分 基本基本类型类型 附着核糖体附着核糖体 游离核糖体游离核糖体 70S的的核糖体核糖体
2、80S的的核糖体核糖体 主要主要成分成分 r-protein: 40%，核糖体表面，核糖体表面 rRNA: 60%，核糖体内部，核糖体内部游离于细胞质还是附着于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存在于原核细胞还是真核细胞Free and membrane-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, bot
3、h limited to 35 resolution. (AJ) Rotational series, with a rotational increment around the vertical axis of 36. Scale bar 100 . (K) Exploded views of E.coli and yeast ribosomes, showing close correspondence of features of interface surfaces of ribosomal subunits, most notably the interface canyon (I
4、C). 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 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 su
5、bunits at this resolution. (adapted from Nucleic Acids Research, 1998, 26(2):655-661)Comparison of Ribosomal Components between Prokaryotes and EukaryotesspeciesribosomesubunitrRNAr-protein bacterium70S;相对分子量：2.5106;66%RNA.50S 23S=2904 bp 5S=120 bp 3130S 16S=1542 bp 21 mammalian80S;相对分子量：4.2106;60%R
6、NA.60S 28S=4718 bp5.8S=160 bp 5S=120 bp 4940S 18S=1874 bp 33核糖体的结构核糖体的结构 结构与功能的分析方法结构与功能的分析方法 蛋白质合成过程中很多重要步蛋白质合成过程中很多重要步骤与骤与 50S 核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关结构与功能的分析方法结构与功能的分析方法离子交换树脂可分离纯化各种离子交换树脂可分离纯化各种 r 蛋白；蛋白；纯化的纯化的 r 蛋白与纯化的蛋白与纯化的rRNA进行核糖体的重组装，显示进行核糖体的重组装，显示核糖体中核糖体中 r 蛋白与蛋白与rRNA的结构关系的结构关系双向电泳技术可显示出双向电泳技术可显
7、示出 E. coli 核糖体在装配各阶段中，核糖体在装配各阶段中，与与rRNA结合的蛋白质的类型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双功能的交联剂和双向电泳分离可用于研究 r 蛋白在结蛋白在结构上的相互关系构上的相互关系电镜负染色与免疫标记技术结合，研究电镜负染色与免疫标记技术结合，研究 r 蛋白在核糖体蛋白在核糖体的亚单位上的定位。的亚单位上的定位。对对rRNA，特别是对，特别是对16S rRNA结构的研究结构的研究70S核糖体的小亚单位中核糖体的小亚单位中rRNA与全部的与全部的 r 蛋白关系的蛋白关系的空空间模型间模型同同一一生生物物中中不不同同种种类类的的 r 蛋蛋
8、白白的的一一级级结结构构均均不不相相同同，在在免免疫疫学学上上几几乎乎没没有有同同源源性。性。不同生物同一种类不同生物同一种类 r 蛋白之间具有很高蛋白之间具有很高的同源性，的同源性， 并在进化上非常保守。并在进化上非常保守。 E. coli (a) 核糖体小亚单位中的部分核糖体小亚单位中的部分r蛋白与蛋白与rRNA的结合位点的结合位点 (b) 及其在小亚单位上的部位及其在小亚单位上的部位蛋白质结合到蛋白质结合到rRNA上具有先后上具有先后层次性层次性；核糖体的重组装是自我装配过程。核糖体的重组装是自我装配过程。E. Coli 核糖体小亚单位中核糖体小亚单位中rRNA与与 r 蛋白的相互关系示
9、意图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）线条表示相互作用及作用力的强（粗线）与弱（细线）（引自（引自Alberts et al, 1989） 16S rRNA的一级结构是非常保守的；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：的二级结构具有更高的保守性： 臂环结构臂环结构 (stem-loop structure) rRNA臂环结构的三级结构模型。臂环结构的三级结构模型。 核糖体小亚单位核糖体小亚单位rRNA的二级结构的二级结构 (a) E. coli 16S rRNA；（红色为高度保守区）；（红色为高度保守区）； (b) 酵母菌酵母菌
10、18S rRNA，它们都具有类似的，它们都具有类似的40个臂环结构（图中个臂环结构（图中140），其长度和位置往），其长度和位置往 往非常保守；往非常保守；P、E分别代表仅在原核或真核细胞中存在的分别代表仅在原核或真核细胞中存在的rRNA的二级结构。的二级结构。蛋白质合成过程中很多重蛋白质合成过程中很多重要步骤与要步骤与50S核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关涉涉及及的的多多数数因因子子为为G蛋蛋白白（具具有有GTPase活活性性），核核糖糖体体上与之相关位点称为上与之相关位点称为GTPase相关位点。相关位点。最最近近人人们们成成功功地地制制备备L11-rRNA复复合合物物的的晶晶体体，获
11、获得得了了其空间结构高分辨率的其空间结构高分辨率的三维图象三维图象。 这一结果证实了前人用各种实验所获得的种种结论。这一结果证实了前人用各种实验所获得的种种结论。 提提出出直直观观、可可靠靠而而且且比比人人们们的的预预料料更更为为精精巧巧复复杂杂和和可可能能的的作作用用机机制制，从从而而为为揭揭开开核核糖糖体体这这一一具具有有30多多亿亿年年历历史史的的、古古老老的的、高高度度而而复复杂杂的的分分子子机机器器的的运运转转奥奥秘秘迈迈出出了了极重要的一步。极重要的一步。L11-rRNA 复复 合合 物物 的的 三三 维维 结结 构构二、核糖体蛋白质与二、核糖体蛋白质与 rRNA 的功能分析的功能
12、分析 核糖体上具有一系列与蛋白质合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在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究性研究 核糖体上具有一系列与蛋白质核糖体上具有一系列与蛋白质 合成有关的合成有关的结合位点与催化位点结合位点与催化位点与与mRNA的结合位点；的结合位点；与新掺入的氨酰与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点的结合位点 氨酰基氨酰基位点，又称位点，又称A位点；位点；与延伸中的肽酰与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点的结合位点 肽酰基肽酰基位点，又称位点，又称P位点；位点；肽酰转移后与即将释放的肽酰转移后与即将释放的tRNA的结
13、合位点的结合位点 E位点位点(exit site)；与肽酰与肽酰-tRNA从从A位点转移到位点转移到P位点有关的转移酶位点有关的转移酶（即延伸因子（即延伸因子EF-G) 的结合位点；的结合位点；肽酰转移酶的催化位点；肽酰转移酶的催化位点；与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点。终止因子的结合位点。(a) Important Binding Sites on the Prokaryotic RibosomeThis model of ribosome structure shows the A (aminoacyl) and P (
14、peptidyl) sites as cavities on the ribosome where charged (amino acid-carrying) tRNA molecules bind during polypeptide synthesis. The more recently postulated E (exit) site is the site from which discharged tRNAs leave the ribosome. The mRNA-binding site binds a particular nucleotide sequence near t
15、he 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. The pair of horizontal dashed lines indicate where the mRNA molecule lies. (b) A more realistic representation. The binding sites are all located a
16、t 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在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究 核糖体蛋白核糖体蛋白 在核糖体中在核糖体中rRNA是起主是起主要作用的结构成分要作用的结构成分 r 蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能核糖体蛋白核糖体蛋白很难确定哪一种蛋白具有催化功能：很难确定哪一种蛋白具有催化功能： 在在E. coli中中核核糖糖体体蛋蛋白白突突变变甚甚至至缺缺失失对对蛋蛋白白质质合合成成并并没没有有表表现现出出“全全”或或“无无”的的影影响。响。多多数数抗抗蛋蛋白白质质合合成成
17、抑抑制制剂剂的的突突变变株株，并并非非由由于于r 蛋白的基因突变而往往是蛋白的基因突变而往往是 rRNA基因突变。基因突变。在在整整个个进进化化过过程程中中rRNA的的结结构构比比核核糖糖体体蛋蛋白白的结构具有更高的保守性。的结构具有更高的保守性。在核糖体中在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分是起主要作用的结构成分 具有肽酰转移酶的活性；具有肽酰转移酶的活性； 为为tRNA提供结合位点（提供结合位点（A位点、位点、P位点和位点和E位点）；位点）；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；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在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地选择性地结合以
18、及在肽链的延伸中与结合以及在肽链的延伸中与mRNA结合；结合；核糖体大小亚单位的结合、校正阅读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、无意义链或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都与及抗菌素的作用等都与rRNA有关。有关。r 蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能对对rRNA 折折叠叠成成有有功功能能的的三三维维结结构构是是十十分分重重要的；要的；在在蛋蛋白白质质合合成成中中, 某某些些r蛋蛋白白可可能能对对核核糖糖体体的构象起的构象起“微调微调”作用；作用；在在核核糖糖体体的的结结合合位位点点上上甚甚至至可可能能在在催催化化作作用用中中, 核糖
19、体蛋白与核糖体蛋白与rRNA共同行使功能。共同行使功能。第二节第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体与蛋白质的合成 多聚核糖体多聚核糖体 (polyribosome or polysome) 蛋白质的合成蛋白质的合成 (synthesis of the protein) RNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程一、多聚核糖体一、多聚核糖体(polyribosome or polysome)细细胞胞内内各各种种多多肽肽的的合合成成，不不论论其其分分子子量量的的大大小小或或是是mRNA的的长长短短如如何何，单单位位时时间间内内所所合合成成的的多多肽肽分分子子数目都大体
20、相等。数目都大体相等。以以多多聚聚核核糖糖体体的的形形式式进进行行多多肽肽合合成成，对对mRNA的的利利用及对其浓度的调控更为经济和有效。用及对其浓度的调控更为经济和有效。概念概念 核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而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是由多个甚至几十个核糖体串连在一条mRNA分子上高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的核糖体与mRNA的聚合体称为的聚合体称为多聚核糖体多聚核糖体。多聚核糖体的生物学意义多聚核糖体的生物学意义Visualizing tran
21、scription and translation(a)(b)LargesubunitSmallsubunitmRNALargesubunitSmallsubunitCompletedpolypeptide(a)(b)(c) Polyribosomes(a) Schematic drawing of a polyribsome (polysome). (b) Electron micrograph of a grazing section through the outer edge of a rough ER cisterna. The ribosomes are aligned in lo
22、ops 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 have between four and six ribosomes. mRNA+In step 1, initiation of translation be
23、gins with the association of the 30S ribosomal subunit with the mRNA at the AUG initiation codon, a step that requires IF1 and IF3. The 30S ribosomal subunit binds to the mRNA at the AUG initiation codon as the result of an interaction between a complementary nucleotide sequence on the rRNA and mRNA
24、. In step 2, a ternary (three-membered) complex consisting of formylmethionyl-tRNA-IF2-GTP becomes associated with the mRNA-30S ribosomal subunit complex accompanied by the release of IF3. In step 3, the 50S subunit joins the complex with the accompanying release of IF1, IF2, and the products of GTP
25、 hydrolysis (GDP and Pi). The initiation of protein synthesis in prokaryotes(a)(b)Steps in the elongation of the nascent polypeptide during translation in prokaryotes(a) In step 1, an aminoacyl-tRNA whose anticodon is complementary to the second codon of the mRNA enters the empty A site of the ribos
26、ome. The binding of the tRNA is accompanied by the release of GDP-Tu. In step 2, peptide bond formation is accomplished by the transfer of the nascent polypeptide chain from the tRNA in the P site to the aminoacyl-tRNA of th A site, forming a peptidyl-tRNA in the A site and a deacylated tRNA in the
27、P site. The reaction is catalyzed by a part of the 28S rRNA acting as a ribosome. In step 3, the binding of factor G and the hydrolysis of its associated GTP results in the translocation of the ribosome relative to the mRNA. Translocation is accompanied by the movement of the deacylated tRNA and pep
28、tidyl-tRNA into the E and P sites, respectively. In step 4, the deacylated tRNA leaves the ribosome, and a new aminoacyl-tRNA enters the A site. (b) Peptide bond formation and the subsequent displacement of the deacylated tRNA. 三、三、RNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程 生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系 DNA代替了代替了RNA的
29、遗传信息功能的遗传信息功能 蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能酶的功能Evolution of RNAs that can direct Protein synthesisEvolution of newenzymes that createand make RNAcopies from itQuestion Discussing the following: During the evolution of life on the earth, RNA has been demoted from its glorious position as the first self
30、-replicating catalyst. Its rolenow is as a mere messenger in the information flow from DNA to protein. 生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系三种生物大分子，只有三种生物大分子，只有RNA既具有信息既具有信息载体功能又具有酶的催化功能。因此，载体功能又具有酶的催化功能。因此，推测推测RNA可能是生命起源中最早的生物可能是生命起源中最早的生物大分子；大分子；核核酶酶(ribosome)：具具有有催催化化作作用用的的RNA；由由RNA催化产生了蛋白质。催化产生了蛋白质。RibosomeSubst
31、rateRNAbase pairing between ribozymeand substrateSubstrate cleavageSubstrate releasecleaved RNAribozymeDNA代替了代替了RNA的遗传信息功能的遗传信息功能 DNA双链比双链比RNA单链稳定；单链稳定； DNA链链中中胸胸腺腺嘧嘧啶啶代代替替了了RNA链链中的尿嘧啶，使之易于修复。中的尿嘧啶，使之易于修复。蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能酶的功能蛋蛋白白质质化化学学结结构构的的多多样样性性与与构构象象的的多变性；多变性；与与RNA相相比比，蛋蛋白白质质能能更更为为有有效效
32、地地催催化化多多种种生生化化反反应应，并并提提供供更更为为复复杂杂的的细细胞胞结结构构成成分分，逐逐渐渐演演化化成成今今天的细胞。天的细胞。 作作 业业P383思考题：思考题：；。 Schematic representation of the different cellular events through which altered ribosome biogenesis might contribute to neoplastic transformation. Alterations in the genes involved in ribosome biogenesis may g
33、enerate intrinsic altered ribosomes (eg, hypopseudouridylated ribosomes in X-linked dyskeratosis congenita) characterized by an altered capacity for translating mRNAs coding for proteins associated with tumorigenesis. Alternatively, altered ribosome biogenesis may be associated with quantitative cha
34、nges in cellular ribosome availability, which could influence translation of the genes involved in neoplastic transformation as well. It should also be considered that most of the proteins involved in ribosome biogenesis have extra-ribosomal functions that may support tumorigenesis independently of ribosome function and mRNA translation.Adapted from The American Journal of Pathology, 2008, 173(2):301-310.
