細胞生物學(第五版)-第10章 核糖體

細胞生物學（第5版）主編

丁明孝

王喜忠張傳茂

陳建國

第10章核糖體1953年Robinsin等用電鏡觀察植物細胞時發(fā)現(xiàn)了這種顆粒結(jié)構(gòu)1955年P(guān)alade在動物細胞中也觀察到類似的結(jié)構(gòu)1958年Roberts建議把這種顆粒結(jié)構(gòu)命名為核糖核蛋白體，簡稱核蛋白體或核糖體(ribosome)核糖體是合成蛋白質(zhì)的細胞器，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精確地合成多肽鏈僅發(fā)現(xiàn)在哺乳動物成熟的紅細胞等極個別高度分化的細胞內(nèi)沒有核糖體，線粒體和葉綠體中也含有核糖體。核糖體是細胞最基本的不可缺少的結(jié)構(gòu)。核糖體是一種不規(guī)則顆粒狀的結(jié)構(gòu)，其主要成分是RNA和蛋白質(zhì)，直徑約25nm

核糖體蛋白分子主要分布在核糖體表面，核糖體RNA(rRNA)位于內(nèi)部，二者靠共價鍵結(jié)合在一起。附著核糖體:附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面或原核細胞的質(zhì)膜內(nèi)側(cè)(外運蛋白)游離核糖體:分布在細胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)(胞內(nèi)蛋白)結(jié)構(gòu)與化學組成完全相同，但合成的蛋白種類不同第一節(jié)核糖體的類型與結(jié)構(gòu)一、核糖體的基本類型與化學組成二、核糖體的結(jié)構(gòu)三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能一、核糖體的基本類型與化學組成

-原核細胞核糖體,70S核糖體，線粒體和葉綠體(近似70S)

-真核細胞核糖體,80S核糖體基本類型均由大小不同的兩個亞單位(subunit)構(gòu)成70S核糖體，相對分子質(zhì)量2500×103，Mg2+濃度增加，形成100S的二聚體，反之，離解為50S與30S的大小亞80S核糖體，相對分子質(zhì)量4200×103，Mg2+濃度增加，形成120S的二聚體，反之，離解為60S與40S的大小亞單位大、小亞單位只在合成蛋白質(zhì)時才結(jié)合在一起——小亞單位與mRNA結(jié)合，再與大亞單位結(jié)合表面有三個tRNA的70S核糖體藍色為50S亞基紫色為30S亞基P位點

E位點A位點二、核糖體的結(jié)構(gòu)rRNA:構(gòu)成核糖體的核心，決定其形態(tài)。蛋白質(zhì):位于核糖體的表面或填充rRNA之間的空隙，微調(diào)核糖體的結(jié)構(gòu)。對核糖體高分辨率的X射線衍射圖譜分析表明:1.每個核糖體含有4個RNA分子的結(jié)合位點,其中1個位點供mRNA結(jié)合，3個位點供tRNA結(jié)合，分別為A,P和E位點。這些位點橫跨核糖體大小亞基結(jié)合面。2.在核糖體大小亞基結(jié)合面，特別是mRNA和tRNA結(jié)合處，無核糖體蛋白分布。這也意味著在核糖體起源之初可能僅由RNA組成。大腸桿菌70S完整核糖體X射線晶體學結(jié)構(gòu)4.核糖體蛋白質(zhì)大多具有一個球形結(jié)構(gòu)域和伸展的尾部。球形結(jié)構(gòu)域分布在核糖體表面，伸展的多肽鏈尾部則伸入核糖體內(nèi)折疊的rRNA分子中。3.催化肽鍵形成的活性位點由RNA組成。大腸桿菌70S完整核糖體X射線晶體學結(jié)構(gòu)核糖體RNA（16SrRNA結(jié)構(gòu)研究積累豐富資料）16SrRNA的一級結(jié)構(gòu)是非常保守的，某些序列完全一致。二級結(jié)構(gòu)具有更高的保守性，折疊成相似的二級結(jié)構(gòu)——約含40個臂環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)，其中46%的堿基配對，雙螺旋區(qū)(臂)一般小于8bp。推測有4個結(jié)構(gòu)域。三、核糖體蛋白質(zhì)與rRNA的功能①mRNA的結(jié)合位點—

mRNA與小亞基結(jié)合核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的結(jié)合位點與催化位點原核生物：核糖體與mRNA的結(jié)合位點位于16SrRNA的3’端，位于起始密碼子上游5～10bp處（SD序列——mRNA有一段特殊的Shine-Dalgarno序列）。真核生物：核糖體小亞基與mRNA的結(jié)合依賴mRNA5’端甲基化帽子結(jié)構(gòu)。②A位點新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點即氨?；稽c,主要在大亞基上，是接受氨酰基-tRNA的部位

③P位點延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點，即肽?；稽c。主要在小亞基上，是釋放tRNA的部位。

④E位點(肽酰轉(zhuǎn)移后即將釋放的tRNA的結(jié)合位點。位于大亞基上，催化氨基酸間形成肽鍵，使肽鏈延長。

⑤肽酰tRNA從A位點轉(zhuǎn)移到P位點相關(guān)轉(zhuǎn)移酶(即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點。EF-Tu、EF-G的一部分結(jié)合位點位于A位點和P位點的底部。⑥肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點，跨過A位點和P位點⑦蛋白質(zhì)合成相關(guān)的其他起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點。EF-Tu-GTP的功能是與氨酰-tRNA結(jié)合，將其帶到A位點核糖體的活性部位及其作用rRNA的主要功能①具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性.②為tRNA提供結(jié)合位點(A位點、P位點和E位點).③為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點.④在蛋白質(zhì)合成起始時參與同mRNA選擇性地結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與mRNA結(jié)合.⑤核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀(proofreading)、無意義鏈或框架漂移的校正以及抗菌素的作用等都與rRNA有關(guān)。第二節(jié)多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成

一、多核糖體二、蛋白質(zhì)的合成三、核糖體與RNA世界多核糖體模式圖一、多核糖體核糖體在細胞內(nèi)并不是單個獨立地執(zhí)行功能，而是由多個甚至幾十個核糖體串連在一條mRNA分子上高效地進行肽鏈的合成，這種具有特殊功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的核糖體與mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。多聚核糖體所包含的核糖體數(shù)量由mRNA的長度來決定，相鄰的核糖體間約80個核苷酸的距離二、蛋白質(zhì)的合成

又稱蛋白質(zhì)的翻譯，是細胞中最復雜、最精確的生命活動之一。蛋白質(zhì)合成需要各種攜帶氨基酸的tRNA、核糖體、mRNA、多種蛋白質(zhì)因子、陽離子及GTP等的參與起始(Initiation)包括核糖體與mRNA結(jié)合，形成起始復合物，其中含有第一個氨酰-tRNA。延伸(Elongation)包括從第一個肽鍵形成到最后一個氨基酸摻入過程中所有的反應。終止(Termination)包括釋放完整的多肽鏈及核糖體與mRNA分離。每一步都需要不同的輔助因子參與，能量由GTP水解提供。蛋白質(zhì)合成分為三步：（一）肽鏈的起始1.30S小亞基與mRNA的結(jié)合蛋白質(zhì)合成起始階段，mRNA只能夠與細胞質(zhì)基質(zhì)中游離的核糖體30S小亞基結(jié)合。結(jié)合部位是mRNA的起始密碼子(initiationcodon)AUG。SD序列為：5’…AGGAGG…3’16SrRNA3，端與此互補的序列為：3，…UCCUCC…5’在細菌mRNA起始密碼子AUG上游5～10個堿基處有一段特殊的序列，即SD序列。SD序列能與核糖體小亞基16SrRNA3，端的堿基序列互補結(jié)合，從而保證30S小亞基能準確識別起始密碼子AUG，并結(jié)合到mRNA。真核細胞蛋白質(zhì)翻譯的起始與原核細胞差異：真核細胞40S小亞基識別mRNA結(jié)合位點的機制不同，小亞基首先識別mRNA5’端甲基化帽子，然后沿著mRNA移動掃描，直到第一個AUG的出現(xiàn)為止。5’-端加帽:成熟的真核生物mRNA的5’-端有m7GPPPN結(jié)構(gòu)，它是在RNA三磷酸酶，mRNA鳥苷酰轉(zhuǎn)移酶，mRNA（鳥嘌呤-7）甲基轉(zhuǎn)移酶和mRNA（核苷-2’）甲基轉(zhuǎn)移酶催化形成的。30S小亞基與mRNA的結(jié)合需要起始因子(initiationfactor，IF)的幫助。這些起始因子僅位于30S亞基上。一旦30S亞基與50S亞基結(jié)合形成70S核糖體后便釋放。起始因子的主要作用：幫助形成起始復合物。原核細胞有3種起始因子：IF1、IF2和IF3。

IFl與30S亞基A位點結(jié)合，協(xié)助30S亞基與mRNA的結(jié)合，防止氨酰-tRNA錯誤進入核糖體的A位點IF2是一種GTP結(jié)合蛋白，協(xié)助第一個氨酰-tRNA進入核糖體IF3能防止核糖體50S大亞基提前與小亞基結(jié)合，并有助第一個氨酰-tRNA進入核糖體，在調(diào)節(jié)核糖體動態(tài)平衡以及30S亞基與mRNA結(jié)合能力方面發(fā)揮了重要作用。30S-IFl復合體晶體結(jié)構(gòu)顯示在蛋白質(zhì)翻譯起始階段，30S亞基所有的tRNA結(jié)合位點都被占據(jù)：如A位點被IFl占據(jù)，P位點被起始tRNA占據(jù)，E位點被IF3占據(jù)。其生物學意義可能與蛋白質(zhì)合成的正確起始有關(guān)2．第一個氨酰-tRNA進入核糖體

當mRNA與小亞基結(jié)合后，攜帶有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA(tRNAiMet)進入核糖體P位點，通過反密碼子與mRNA中的AUG識別，之后釋放IF3。一旦起始tRNA與AUG密碼子結(jié)合，核糖體大亞基便與起始復合物結(jié)合，形成完整的70S核糖體——mRNA起始復合物。該過程伴隨與IF2結(jié)合的GTP水解，IFl、IF2和IF3釋放。3.完整起始復合物的裝配(二)肽鏈的延伸—旦起始復合物形成，蛋白質(zhì)合成隨即開始，這一過程稱為肽鏈的延伸。主要包括4個步驟：

1、氨酰-tRNA進入核糖體A位點的選擇2、肽鍵的形成3、轉(zhuǎn)位(translocation)4、脫氨酰-tRNA的釋放。1.氨酰-tRNA在核糖體A位點的入位

起始的tRNAiMet占據(jù)P位點，核糖體接受第2個氨酰-tRNA進入A位點，這就是肽鏈延伸的第一步。為了有效地結(jié)合A位點，第二個氨酰-tRNA必須與有GTP的延伸因子(elongationfactor，EF)EF-Tu結(jié)合形成復合物氨酰-tRNA·EF-Tu·GTP。盡管任何形成復合物的氨酰-tRNA都能夠進入A位點，但只有其反密碼子能與A位點的mRNA密碼子匹配的氨?！猼RNA才能被核糖體牢牢捕捉并定位在A位點，從而保證正確識別tRNA。到位后，結(jié)合在EF-Tu上的GTP水解，EF-Tu連同結(jié)合在一起的GDP離開核糖體，被另一個因子EF-Ts介導生成EF-Tu·GTP。2．肽鍵的形成當核糖體的P位點與A位點都有tRNA時，通過肽鍵的生成將兩個氨基酸結(jié)合起來。具體來講，是A位點氨酰-tRNA氨基酸的氨基與P位點tRNA上氨基酸的羧基形成肽鍵。這一反應由肽酰轉(zhuǎn)移酶催化，該酶是核糖體大亞基rRNA，活性位點位于23SrRNA結(jié)構(gòu)域V的中央環(huán)。形成第一個肽鍵時，A位點的tRNA分子一端仍然與mRNA的密碼子結(jié)合，另一端與—個二肽結(jié)合。此時，P位點的tRNA分子已經(jīng)如釋重負，沒有攜帶任何氨基酸。3、轉(zhuǎn)位：即核糖體沿著mRNA分子的5，→3，方向移動3個核苷酸(一個密碼子)。在轉(zhuǎn)位過程中，攜帶二肽的tRNA從A位點移位到P位點，而沒有攜帶任何氨基酸的tRNA從P位點移位到E位點。原核細胞GTP結(jié)合的延伸因子EF-G能促進移位過程的發(fā)生(真核生物是延伸因子eEF2)。

4．脫氨酰-tRNA的釋放延伸反應的最后—步是脫氨酰-tRNA離開核糖體E位點一旦肽酰-tRNA通過轉(zhuǎn)位從A位點移位到P位點后，A位點再次接受下一個能與mRNA第三個密碼子匹配的氨酰-tRNA，又開始新的肽鏈延伸循環(huán)。(三)肽鏈的終止釋放因子(release

factor，RF):

RFl可識別UAA或UAG

RF2識別UAA或UGA

催化蛋白質(zhì)合成的終(termination)。

如果A位點mRNA是UAA、UGA或UAG終止密碼子(terminationcodon或stopcodon)，由于沒有與之匹配的反密碼子，氨酰-tRNA不能結(jié)合到核糖體上，于是蛋白質(zhì)合成終止。RFl或RF2識別A位點的終止密碼子并促使肽酰轉(zhuǎn)移酶催化水分子添加到肽酰-tRNA上。這一過程實際上與肽鍵形成類似，只不過是水分子代替了氨基成為活化肽?；氖荏w。這一反應使得多肽鏈末端的羧基游離出來，肽鏈延伸終止形成完整的蛋白鏈。蛋白鏈隨即脫離核糖體進入細胞質(zhì)基質(zhì)，而核糖體也從mRNA上釋放下來，解離成30S和50S亞基。新生肽鏈通過核糖體大亞基的一個特定通道進入細胞質(zhì)基質(zhì)，該通道稱為肽通道。大小為10nm×5nm，是—個親水性通道，內(nèi)壁主要由23SrRNA組成，新生肽鏈能順利地通過肽通道。從核糖體釋放后，新合成的蛋白質(zhì)將在分子伴侶的幫助下，形成正確的三維構(gòu)象。三、核糖體與RNA世界

(一)核糖體的本質(zhì)是核酶核酶是指一類具