11-核糖体

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Freeandmembrane-boundribosomesComparisonofribosomestructures:E.coli70S(upperrowineachpanel,structurefrom18,19)andyeast80S(lowerrowineachpanel)ribosomes,bothlimitedto35Åresolution.(A–J)Rotationalseries,witharotationalincrementaroundtheverticalaxisof36.Scalebar100Å.(K)ExplodedviewsofE.coliandyeastribosomes,showingclosecorrespondenceoffeaturesofinterfacesurfacesofribosomalsubunits,mostnotablytheinterfacecanyon(IC).CP,centralprotuberance;S,stalk;L1or‘L1’,L1orL1analogarm;h,head;g,neckgroove;p,platform.Notethatthelowerrightportionofthesmallsubunitandthelowerleftportionofthelargesubunitaresurfaceswherethesectioningplanehascutamassthatismergedbetweenthetwosubunitsatthisresolution.(adaptedfromNucleicAcidsResearch,1998,26(2):655-661)ComparisonofRibosomalComponentsbetweenProkaryotesandEukaryotesspeciesribosomesubunitrRNAr-proteinbacterium70S;相对分子量：2.5×106;66%RNA.50S23S=2904bp5S=120bp3130S16S=1542bp21mammalian80S;相对分子量：4.2×106;60%RNA.60S28S=4718bp5.8S=160bp5S=120bp4940S18S=1874bp33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16SrRNA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Albertsetal,1989）16SrRNA的一级结构是非常保守的；16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：臂环结构(stem-loopstructure)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.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。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(exitsite)；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；与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点。(a)ImportantBindingSitesontheProkaryoticRibosomeThismodelofribosomestructureshowstheA(aminoacyl)andP(peptidyl)sitesascavitiesontheribosomewherecharged(aminoacid-carrying)tRNAmoleculesbindduringpolypeptidesynthesis.ThemorerecentlypostulatedE(exit)siteisthesitefromwhichdischargedtRNAsleavetheribosome.ThemRNA-bindingsitebindsaparticularnucleotidesequencenearthe5’endofthemRNA,placingthemRNAintheproperpositionforthetranslationofitsfirstcodon.(a)Thediagrammaticrepresentationofaribosome.ThepairofhorizontaldashedlinesindicatewherethemRNAmoleculelies.(b)Amorerealisticrepresentation.Thebindingsitesarealllocatedatorneartheinterfacebetweenthelargeandsmallsubunits.(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(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(polyribosomeorpolysome)蛋白质的合成(synthesisoftheprotein)RNA在生命起源中的地位及其演化过程一、多聚核糖体(polyribosomeorpolysome)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。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Visualizingtranscriptionandtranslation(a)(b)LargesubunitSmallsubunitmRNALargesubunitSmallsubunitCompletedpolypeptide(a)(b)(c)Polyribosomes(a)Schematicdrawingofapolyribsome(polysome).(b)ElectronmicrographofagrazingsectionthroughtheouteredgeofaroughERcisterna.Theribosomesarealignedinloopsandspirals,indicatingtheirattachmenttomRNAmoleculestoformpolysomes.(c)Electronmicrographofmetal-shadowedpolysomesisolatedfromreticulocytesengagedinhemoglobinsynthesis.Mostofthesepolysomeshavebetweenfourandsixribosomes.mRNA+①②③Instep1,initiationoftranslationbeginswiththeassociationofthe30SribosomalsubunitwiththemRNAattheAUGinitiationcodon,astepthatrequiresIF1andIF3.The30SribosomalsubunitbindstothemRNAattheAUGinitiationcodonastheresultofaninteractionbetweenacomplementarynucleotidesequenceontherRNAandmRNA.Instep2,aternary(three-membered)complexconsistingofformylmethionyl-tRNA-IF2-GTPbecomesassociatedwiththemRNA-30SribosomalsubunitcomplexaccompaniedbythereleaseofIF3.Instep3,the50SsubunitjoinsthecomplexwiththeaccompanyingreleaseofIF1,IF2,and