1、第十二章 核糖体(ribosome),核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒,是细胞内合成蛋白质的细胞器。直径25nm。 核糖体的主要成分是核糖体RNA(rRNA), 占60%, 蛋白质(r蛋白质), 占40%。,第一节 核糖体的类型和结构,一、核糖体的基本类型与成分,二、核糖体的结构,第二节 多聚核糖体与蛋白质的合成,三、核糖体蛋白质与rRNA的功能,二、蛋白质的合成,一、多聚核糖体,三、蛋白质合成的抑制剂,四、RNA在生命起源中的地位,一、核糖体的基本类型与成分,第一节 核糖体的类型和结构,原核细胞的核糖体:,沉降系数为70S，分子量为2.5x106,由50S和30S两个亚基组成。,真核细胞的核
2、糖体:,沉降系数是80S，分子量为4.2x106,由60S和40S两个亚基组成。,大小亚基平时各自游离在细胞质中，进行蛋白质合成时才结合在一起,镁离子浓度对大小亚基的聚合和分离有影响,镁离子浓度对核糖体的影响,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。,原核生物 真核生物,各种来源的核糖体亚基组成,来源 完整核糖体 核糖体亚基 核糖体RNAs 细胞质 80S 60S(大亚基) 28S (真核生物) 40S(小亚基) 18S，5.8S,5S 细胞质 70S 50S(大亚基) 23S (原核生物) 30
3、S(小亚基) 16S，5S 线粒体 55-60S 45S(大亚基) 16S (哺乳动物) 35S(小亚基) 12S 线粒体 75S 53S(大亚基) 21S(酵母) 35S(小亚基) 14S 线粒体 78S 60S(大亚基) 26S (高等植物) 45S(小亚基) 18S，5S 叶绿体 70S 50S(大亚基) 23S 30S(小亚基) 16S，5S,二、核糖体的结构,核糖体在组装过程中,某些蛋白质必须首先结合到rRNA上,其他蛋白才能组装上去即表现出先后层次。根据同rRNA结合的顺序,将核糖体蛋白分为两种:,14,初级结合蛋白(primary binding protein) 这些蛋白质直接
4、同rRNA结合, 其中同16S rRNA结合的初级蛋白有14种, 它们是: S3, S4, S17, S20, S6, S15, S8, S18, S9, S11, S12, S13, S7, S1。 同5S rRNA结合的有11种。 次级结合蛋白(secondary binding protein) 这些蛋白质不直接同rRNA结合, 而是同初级结合蛋结合。它们是: S10, S16, S2, S6, S21, S14, S19。,E.col （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 （引自Albert et al.，1989，图a; Lewin,
5、1997,图b）,核糖体小亚单位rRNA的二级结构 (a) E.coli 16S rRNA；（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。(Darnell et al.，1990),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,并在进化上非常保守。,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,依赖于延伸因子Tu的氨酰tRNA的结合；延伸因子G介导的转位作用；依赖于起始因子
6、2的fMet-tRNA的结合；依赖于释放因子的蛋白合成终止作用；应急因子与核糖体结合ppGpp阻断蛋白合成； 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。,L11-rRNA复合物的三维结构(引自Porse et.al.,1999),三、核糖体蛋白质与rRNA的功能,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位点与肽酰tRNA从A位点到P位点有关的转移酶(EF-
7、G)的结合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、延伸因子和终止因子的结合位点,21,mRNA和tRNA的四个结合部位,多肽的脱离通道 (polypeptide escape path),多肽的脱离通道,很难确定哪一种蛋白具有催化功能： 在E.coli中核糖体蛋白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。,核糖体蛋白,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
8、、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(proofreading)、 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折叠成有功能的三维结构十分重要；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,一、多聚核糖体(polyribosome或polysome),核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功
9、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。,电子显微镜观察的多聚核糖体图中所示是蚕的丝心蛋白mRNA3端多聚核糖体，箭头所示是丝心蛋白多肽。,在mRNA的起始密码子部位，核糖体亚基装配成完整的起始复合物，然后向mRNA的3端移动，直到到达终止密码子处。当第一个核糖体离开起始密码子后，空出的起始密码子的位置足够与另一个核糖体结合时，第二个核糖体的小亚基就会结合上来，并装配成完整的起始复合物，开始蛋白质的合成。同样，第三个核糖体、第四个核糖体、依次结合到mRNA上)。根据电子显微照片推算，多聚核糖
10、体中，每个核糖体间相隔约80个核苷酸。,多聚核糖体的形成,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的利用及对其浓度的调控更为经济和有效。,同一条mRNA被多个核糖体同时翻译成蛋白质，大大提高了蛋白质合成速率，也减轻了细胞核进行基因转录和加工的压力，不需要合成加工大量的mRNA。,多聚核糖体的生物学意义,二、蛋白质的合成,蛋白质合成，或称mRNA翻译是细胞中最复杂的合成活动。蛋白质的合成需要携带氨基酸的各种tRNA、核糖体、mRNA、不同功能的蛋白质、阳离子、GTP等的参与。蛋白质合成过程
11、之所以复杂，是因为构成蛋白质的20种氨基酸要按照密码精确地掺入到多肽中，不能有丝毫的差错。蛋白质的合成，是三种不同类型的RNA通力合作的结果。,在核糖体上合成多肽链，分为三个完全不同过程: 链的起始、链的延伸、链的终止,蛋白质合成的三个主要过程,蛋白质合成的起始(initiation),蛋白质合成的起始涉及到mRNA、起始tRNA和核糖体小亚基之间的相互作用，最后装配成完整的核糖体，起始过程分三步完成 。 起始过程涉及多步反应，在原核生物中需要三个起始因子，在真核生物中涉及多个起始因子。,原核生物蛋白质合成的起始,一旦起始复合物形成，蛋白质的合成随即开始，此过程称为蛋白质合成的延伸。延伸涉及四
12、个重复的步骤氨酰tRNA进入核糖体的A位点；肽键形成；转位;氨酰tRNA释放。上述四步的循环，使肽链不断延长。在整个过程中，需要GTP和一些延长因子的参与。,多肽链的延伸(elongation),肽酰转移酶,EF-G(移位酶),终止(termination),蛋白质合成的终止是指核糖体沿着mRNA移动，如果进入A位的是终止密码子，由于没有与之匹配的反密码子，而终止蛋白质的合成。一共有三种终止密码子:UAA、UAG、UGA，其中任何一种进入A位都会终止蛋白质的合成，并导致多肽链从核糖体释放出来。,原核细胞使用几种不同的释放因子与终止密码子作用，而真核细胞中所有的终止密码子都是与相同的释放因子作用
13、。,氨酰tRNA进入A位 P、A位的氨基酸之间形成肽键 核糖体沿mRNA 5至3方向移动3个核苷酸，A位点的tRNA-二肽移到P位，称为移位 脱氨酰的tRNA释放,延长因子 elongation factor (EF),碱基的准确配对使延长因子上的GTP水解，延长因子脱离，氨基酸加入使多肽链延长；如果碱基不能完全配对， GTP不水解、延长因子不能脱离，与mRNA密码不符的氨基酸不能参与多肽链合成。,合成正确多肽链的保障机制,许多抗生素都是以直接抑制细菌细胞内蛋白质合成而对人体副作用最小为目的而设计的，它们可作用于蛋白质合成的各个环节，包括抑制起始因子，延长因子及核糖核蛋白体的作用等等。1、链霉
14、素、卡那霉素、新霉素等：这类抗生素主要抑制革兰氏阴性细菌蛋白质合成的三个阶段：起始复合物的形成，使氨酰tRNA从复合物中脱落；在肽链延伸阶段，使氨酰tRNA与mRNA错配；在终止阶段，阻碍终止因子与核蛋白体结合，使已合成的多肽链无法释放，而且还抑制70S核糖体的分离。,三、蛋白质合成的抑制剂,2、四环素和土霉素：作用于细菌内30S小亚基，抑制起始复合物的形成，抑制氨酰tRNA进入核糖体的A位，阻止肽链的延伸；影响终止因子与核糖体的结合，使已合成的多肽链不能脱落离核糖体。四环素类抗生素除对菌体70S核糖体有抑制作用外，对人体细胞的80S核糖体也有抑制作用，但对70S核糖体的敏感性更高，故对细菌蛋
15、白质合成抑制作用更强。3、氯霉素：属于广谱抗生素。氯霉素与核糖体上的A位紧密结合，因此阻碍氨酰tRNA进入A位，抑制转肽酶活性，使肽链延伸受到影响，菌体蛋白质不能合成，因此有较强的抑菌作用。,5、白喉霉素（diphtheria toxin）由白喉杆菌所产生的白喉霉素是真核细胞蛋白质合成抑制剂。白喉霉素实际上是寄生于白喉杆菌体内的溶源性噬菌体基因编码的由白喉杆菌转运分泌出来，进入组织细胞内，它对真核生物的延长因子-2（EF-2）起共价修饰作用，生成EF-2腺苷二磷酸核糖衍生物，从而使EF-2失活，它的催化效率很高，只需微量就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成，而导致细胞死亡。,4、嘌呤霉素（Puro
16、mycin）结构与酪氨酰-tRNA相似，从而取代一些氨酰tRNA进入核糖体的A位，当延长中的肽转入此异常A位时，容易脱落，终止肽链合成。由于嘌呤霉素对原核和真核生物的翻译过程均有干扰干扰作用，故难于用做抗菌药物，有人试用于肿瘤治疗。,嘌呤霉素具有与 tRNA分子末端类似 的结构，能够与氨 基酸结合、并与核 糖体的A位点结合， 但它所带的氨基酸 不能参与形成肽链，导致蛋白质合成终止。,左图为通过嘌呤霉 素对蛋白质合成抑 制作用而设计的实 验。证明了核糖体 A位点和P位点是 两个独立的位点。,GTP,GTP,四环素、嘌呤霉素、放线菌素D对原核和真核生物的蛋白质合成均有抑制作用，而鹅蕈碱、放线菌酮只
17、阻断真核细胞蛋白的合成。,三种生物大分子，只有RNA既具有信息载体功能又具有酶的催化功能。因此，推测RNA可能是生命起源中最早的生物大分子。核酶(ribosome) 具有催化作用的RNA，rRNA具有肽酰转移酶功能。由RNA催化产生了蛋白质,四、RNA在生命起源中的地位,DNA代替了RNA的遗传信息功能,DNA双链比RNA单链稳定；DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧啶，使之易于修复。,蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能,蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；与RNA相比，蛋白质能更为有效地催化多种生化反应，并提供更为复杂的细胞结构成分，逐渐演化成今天的细胞。,RNA在生命起源中的地位及演化过程示意图,
