第十一章核糖体

第十一章核糖体第一节、核糖体的类型与结构第二节、多聚核糖体与蛋白质的合成第一节核糖体的类型与结构核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。一、核糖体的基本类型与成分二、核糖体的结构三、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核糖核蛋白体,简称核糖体(ribosome)基本类型70S的核糖体80S的核糖体主要成分r蛋白质：40%，核糖体表面rRNA:60%,，核糖体内部二、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核糖体的结构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。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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。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。核糖体的结构每个核糖体有供tRNA分子结合的3个位点：A位点，P位点，E位点大小亚基结合面，mRNA和tRNA结合处无r蛋白分布催化肽键的活性位点由RNA组成r蛋白有一个分布于核糖体表面的球形结构域和伸入rRNA中的多肽链尾部三、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)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。第二节聚核糖体与蛋白质的合成多聚核糖体(polyribosome或polysome)蛋白质的合成RNA在生命起源中的地位及其演化过程一、多聚核糖体(polyribosome或polysome)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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。三、RNA在生命起源中的地位及其演化过程生命是自我复制的体系DNA代替了RNA的遗传信息功能蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能生命是自我复制的体系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。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。1）核糖体RNA–原核生物的核糖体含有三种大小不同的rRNA，在小亚单位中的为16srRNA，在大亚单位中的为23SrRNA和5SrRNA。–真核生物的核糖体含有4种rRNA，在小亚单位中的为18SrRNA，在大亚单位中的为28S、5S和5.8SrRNA。–rRNA具有高度复杂的二级结构，线性rRNA分子内部有70％的区段形成了双链螺旋。各种蛋白质则结合到折叠的rRNA分子上。（2）核糖体蛋白–大肠杆菌核糖体中共含有50多种蛋白质，其中小亚单位约有21种，大亚单位含有30余种，组成核糖体的蛋白质，在大小亚单位中均有一定的空间分布。–真核生物的核糖体所含有蛋白质的种类比原核生物的要多一些，大亚单位含有49种，小亚单位含有33种，共计约80余种。原核生物与真核生物核糖体成分的比较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（引自Albertetal.，1989，图a;Lewin,1997,图bL11-rRNA复合物的三维结构(引自Porseet.al.,1999)可以分为三个阶段：起始、延伸、终止，分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子（释放因子）参与。(一)、翻译起始（1）小亚基与mRNA结合（2）起始氨酰tRNA进入P位点，它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配对。（3）大亚基与小亚基结合形成起始复合物。蛋白质的合成(二)、延伸方向：mRNA5/3/新生肽：N/C/（1）就位：第二个氨酰tRNA通过密码子—反密码子的配对作用进入核糖体的A位点（氨基位点）。（2）转肽：在大亚基上肽酰转移酶（peptidyltransferase）的作用下，A位点氨基酸的A-氨基亲核攻击P位点氨基酸的羧基基团并形成肽键，结果两个氨基酸均连到了A位点的tRNA上，该过程称为转肽作用（transpeptidation），此时，P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开。（3）移位（translocation，也可称转位）：核糖体沿着mRNA移动1个密码子位置，携带肽链的tRNA转位到P位点，A位点空出以便接纳下一个氨基酸。(三)、终止由于终止密码子不能结合任何氨酰tRNA，于是肽链合成的终止因子（又称释放因子）识别并结合到终止密码子上，接着肽转移酶的酯化酶功能转变成水解功能，将肽链从P位点tRNA上水解掉，核糖体释放掉mRNA并解体成大小亚基，翻译结束。在翻译过程中除了核糖体大小亚基、mRNA和氨酰tRNA外，还需要GTP和许多蛋白辅助因子。这些辅助因子有的起催化作用，有的起改变和稳定构象作用。原核生物的蛋白质合成原核生物（大肠杆菌）每秒钟可翻译20个氨基酸，比真核生物快得多，而真核生物每分钟才大约50个氨基酸。(一)、翻译起始翻译是从形成起始复合物开始的，在原核生物中该过程需要三个起始因子参与：IF1，IF2，和IF3。（IF1的功能尚不清楚）。（1）IF3首先结合在30S亚基上，防止它过早地与50S亚基结合。（2）mRNA结合到30S亚基上。原核mRNA上在距起始密码子上游约10bp处有一段很短的（约10bp）富含嘌呤的区域称为SD序列，它能与30S亚基上的16SrRNA3端的一段互补序列（不妨称反SD序列）配对结合，mRNA正是通过其SD序列与16SrRNA的配对结合而使它处于核糖体上的恰当的位置，并使起始密码子AUG处于P位点。SD序列与16SrRNA的配对还为识别起始密码子和Met密码子提供了一种机制。（3）IF2、fMet-tRNAfmet结合到30S亚基上IF2是一个GTP结合蛋白，它先与30S亚基结合并促使起始氨酰tRNA的密码子与mRNA上的AUG结合（P位点）。原核生物的起始氨酰tRNA是N—甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet-tRNAfmet）。（4）50S大亚基结合到30S小亚基上，形成起始复合物。GTP水解成GDP释放的能量引起30S亚基构象变化，50S亚基结合到30S亚基上，同时IF2和IF3释放。因此，原核生物肽链合成的起始复合体由mRNA、70S核糖体、fMet-tRNAfMet组成。（1）IF3首先结合在30S亚基上，防止它过早地与50S亚基结合。（2）mRNA结合到30S亚基上。（3）IF2、fMet-tRNAfmet结合到30S亚基上（4）50S大亚基结合到30S小亚基上，形成起始复合物。(二)、延伸肽链延伸分三步进行：（1）新的氨酰tRNA进入核糖体的A位点；（2）肽键形成（转肽）；（3）核糖体移位（转位）。这三步构成了肽链延伸的一个循环。1、新氨酰tRNA入位首先，在进入A位点之前，新氨酰tRNA必须与延伸因子EF—TU—GTP结合。延伸因子EF—TU是一个GTP结合蛋白，参与氨酰RNA的就位。氨酰RNA就位后，EF—TU—GTP水解，EF—TU—GDP从核糖体上释放下来，在第二个延伸因子EF—Ts帮助下EF—Tu—GDP释放掉GDP并重新结合一分子GTP再生成EF—Tu—GTP。2、肽键形成（转肽）肽键是在肽酰转移酶催化下形成的，现在认为肽酰转移酶活性存在于50S亚基23SrRNA上。驱动肽键形成的能量由P位点上的氨基酸与它的tRNA的高能肽酰酯键提供。新肽键形成后P位点卸载的tRNA就离开核糖体。3、核糖体移位。移位需要另一个GTP结合蛋白EF—G（延伸因子Ｇ，又叫移位酶）的参与。现在认为，GTP水解成GDP时释放出的能量促使核糖体构象发生变化，驱动肽酰tRNA从Ａ位点移动到Ｐ位点。空下的Ａ位点等待接纳下一个氨酰tRNA。(三)、终止当终止密码子（UAA,UAG,UGA）进入Ａ位点时肽链合成就进入终止期。原核生物有三个释放因子（RF-1,RF-2,RF-3）参与终止。RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA与UGA,RF3作用尚不清楚，可能促进RF1与RF2结合。这种识别过程需要GTP并改变了核糖体的构象，肽酰转移酶的功能发生瞬时变化，转变成酯酶功能，将连接肽链与P位点tRNA的肽酰酯键水解开，肽链从核糖体上释放，mRNA与tRNA解离，核糖体解体。