细胞生物学11 31页

第九章核糖体（ribosome）\n万卡特拉曼-莱马克里斯南、托马斯-施泰茨和阿达-尤纳斯因对“核糖体结构和功能的研究”做出突出贡献而获得2009年诺贝尔化学奖。他们都是用Ｘ光晶体学展示了核糖体的结构以及他们是怎样在原子水平上发挥作用的。这项研究可以很快在实际中得到应用。今天的抗生素药品治疗很多疾病，主要是通过阻止细菌核糖体发挥作用。\n第一节  核糖体的类型与结构一、核糖体概述早在40年代初，就有人发现细胞内有一种颗粒状结构与蛋白质合成有关，1955年，Palade研究了这种颗粒的性质。故历史上曾有所谓“Palade颗粒”之称。直到1958年，Roberts才根据这种颗粒组成成分的性质，提出了核糖核蛋白体的概念，简称核糖体或核蛋白体（ribosome），是细胞内蛋白质合成的“工作台”。核糖体呈颗粒状，有较强的嗜碱性。大小不等，平均直径约在23nm-25nm左右，个别小的只有8nm，大的可达30nm。存在数量与细胞蛋白质合成功能有关，可以从几百个到数万个不等。一般每个细菌细胞中约含有16×103个，每个真核细胞约含1×106个。分布特点：核糖体几乎存在于所有的细胞中，目前仅发现极少特化细胞（无核红细胞）无此结构。因此人们认为核糖体是细胞最基本的不可缺少的结构。\n二、核糖体的类型与成分1按位置分：附着核糖体（膜面核糖体）和游离核糖体。2按结构组成分：70S核糖体和80S核糖体。主要成分：r蛋白质：40%，核糖体表面rRNA：60%,，核糖体内部\n附着的核糖体和游离的核糖体在结构与化学组成上是完全相同的，区别是所处位置不同，合成的蛋白质种类也不一样。\n原核生物与真核生物核糖体成分的比较\n三、核糖体的结构将纯化的r蛋白与纯化的rRNA进行核糖体的重装配，可进一步显示核糖体中r蛋白与rRNA的结构关系。在重装配过程中，某些蛋白质必须首先结合到rRNA上，其他蛋白才能装配上去，即表现出先后层次。这种关系，在很大程度上可能也反映核糖体在体内装配的情况。核糖体的重装配不需要其他大分子的参与，是一个自我装配的过程。\nE.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）\n离子交换树脂可分离纯化各种r蛋白，结果显示：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，序列分析也证实了这一点，说明在不同物种的细胞中，核糖体可能来源于一个共同的祖先，并在进化上是非常保守的\n16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：核糖体小亚单位rRNA的二级结构(a)E.coli16SrRNA；（红色为高度保守区）(b)酵母菌18SrRNA，它们都具有类似的40个臂环结构(图中1～40)，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。\n\n两个亚基都由长链RNA组成，图中分别用橙色和黄色表示，蛋白质点缀在其中，用蓝色表示。\n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：mRNA的结合位点，于小亚单位:（16SrRNA的3`端有一段顺序同多数原核生物的mRNA(AUG上游3-9个碱基)的核糖体结合位点有互补关系）A位点:与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点，又称氨酰基位点。P位点:与延伸中的肽酰-tRNA的结合位点，又称肽酰基位点。E位点(exitsite):肽酰转移后与即将释放的tRNA的结合位点。延伸因子EF-G的结合位点及催化位点:催化氨基酸之间形成肽键(催化P位上肽酰tRNA的羟基与处在A位上氨酰基tRNA的氨基之间形成肽链)，并和肽酰tRNA从A位点转移到P位点有关。位于大亚基上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\n\n四、核糖体蛋白质与rRNA的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。\n在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分，其主要功能是：（1）具有肽酰转移酶的活性：（2）为tRNA提供结合位点（A位点、P位点和E位点）；（3）为多种蛋白质合成因子提供结合位点；（4）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。（5）核糖体大小亚单位的结合、校正阅读、无意义链的校正、以及抗菌素的作用等都与rRNA有关。\nr蛋白在翻译过程中也起着重要的作用①对rRNA折叠成有功能的三维结构是十分重要的；②在蛋白质合成中，核糖体的空间构象发生一系列的变化，某些r蛋白可能对核糖体的构象起“微调”作用；③在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中，r蛋白与rRNA共同行使功能。\n第二节多聚合糖体与蛋白质的合成一、多聚核糖体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（polyribosome或polysome）。以多聚核糖体的形式进行多肽合成，对mRNA的利用及对其数量的调控更为经济和有效。\nA：多聚核糖体模式图；B：原核细胞的多聚核糖体电镜图，示蛋白质的转录和翻译同时进行；C：真核细胞的多聚核糖体电镜图\n二、蛋白质的合成(一)肽链合成的起始1、在mRNA起始密码AUG上游有长达6个碱基的核糖体结合序列（SD序列）可与核糖体小亚单位中的16SrRNA的3’端碱基配对，使mRNA与30S的核糖体小亚单位结合，接着甲酰甲硫氨酸tRNA的反密码子识别并与mRNA的AUG配对形成起始复合物（在起始因子的帮助下）。\n2、核糖体50S大亚单位与起始复合物中的30S亚单位结合，形成70S的完整的核糖体与mRNA的起始复合物。甲酰甲硫氨酸tRNA分子占据核糖体的P位点（肽酰位）并通过其反密码子和mRNA上的起始密码配对，确定读码框架。\n（二）肽链的延伸延伸因子EF—Tu将氨酰tRNA安置到A位点，到位后，结合在EF—Tu上的GTP水解，EF—Tu连同结合在一起的GDP离开核糖体。（EF—Tu不与甲酰甲硫氨酸tRNA反应，因此起始的tRNA不能送到A位，而甲硫氨酸tRNA和其他的氨酸tRNA都可与EF一TU结合，这就解释了为什么中间的AUG不能被起始的tRNA识读。）由肽酰转移酶催化形成二肽酰RNA，移位需要延伸因子EF一G及结合在EF—G上的GTP水解。肽酰tRNA从A位转移到P位，mRNA移动3个核苷酸的距离。原P位点无负载的tRNA移到E位点后脱落A位点空出。\n2009年10月16日《Science》发表了剑桥大学分子生物学实验室由VenkiRamakrishnan主持的研究小组首次获得核糖体与延伸因子（elongationfactorG,EF-G）结合的图片。（EandPshowwheretRNAslineup.DC=decodingcenter,wherethetRNAsmatchupwiththemRNA.PTC=peptidyltransferasecenter,wheretheproteingrows.EF-G=elongationfactorG,whichmovestheassemblylinealong.）\n（三）肽链的终止如A位是UAA、UGA、UAG，氨基酰tRNA通常不能结合到核糖体上，释放因子RF—1可识别UAA或UAG，RF—2识别UAA或UGA。A位点的终止密码与释放因子结合，活化肽链转移酶，水解P位点的多肽与tRNA之间的连键，水代替了氨基成为活化肽酰基的受体，多肽脱离核糖体，核糖体随即离解成30S和50S亚单位。\n\n\n\n\n\n三、RNA在生命起源中的地位RNA可能是生命起源中最早的生物大分子。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。由RNA催化产生了蛋白质。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）。\n讨论、思考题、作业：1、课后查阅相关文献。2、预习下章、节内容3、思考：1）你认为最早出现的简单生命体中的生物大分子是什么，为什么？2）以80s核糖体为例，说明核糖体的结构成分及其功能。3）什么是多聚核糖体？其生物学意义是什么？思考题