第九章核糖体(ribosome) 核糖体的类型与结构 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。核糖体的基本类型与成分核糖体的结构核糖体蛋白质与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 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16S rRNA 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-loop structure) 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。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技术所获得的种种结论提出直观、可靠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复杂的分子机器的运转奥秘迈出了极重要的一步。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(exit site) 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)；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。* * 原核生物与真核生物核糖体成分的比较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Alberts et al ，1989 ）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Albert et al. ，1989 ，图a; Lewin,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。(Darnell et al. ，1990) L11-rRNA 复合物的三维结构( 引自Porse et.al.,1999) *
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