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细胞生物学核糖体第1页，本讲稿共21页第一节第一节 核糖体的类型与结构核糖体的类型与结构 核核糖糖体体是是合合成成蛋蛋白白质质的的细细胞胞器器，其其唯唯一一的的功功能能是是按照按照mRNAmRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。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基本类型与成分 核糖体的结构核糖体的结构(自学，略）自学，略）核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与rRNArRNA的功能分析的功能分析 第2页，本讲稿共21页一、核糖体的基本类型与成分一、核糖体的基本类型与成分 核糖核蛋白体核糖核蛋白体,简称核糖体简称核糖体(ribosome)基本基本类型类型 附着核糖体附着核糖体 游离核糖体游离核糖体 70S的的核糖体核糖体 80S的的核糖体核糖体 主要主要成分成分 r蛋白质：蛋白质：40%，核糖体表面，核糖体表面 rRNA:60%,，核糖体内部，核糖体内部第3页，本讲稿共21页二、核糖体的结构二、核糖体的结构 结构与功能的分析方法结构与功能的分析方法 蛋白质合成过程中很多重要步骤蛋白质合成过程中很多重要步骤 与与50S核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关 第4页，本讲稿共21页结构与功能的分析方法结构与功能的分析方法 离子交换树脂可分离纯化各种离子交换树脂可分离纯化各种r r蛋白；蛋白；纯纯化化的的r r蛋蛋白白与与纯纯化化的的rRNArRNA进进行行核核糖糖体体的的重重组组装装，显显示示核核糖糖体体中中r r蛋蛋白白与与rRNArRNA的的结结构关系构关系 双双向向电电泳泳技技术术可可显显示示出出E.coliE.coli核核糖糖体体在在装装配配各各阶阶段段中中,与与rRNArRNA结结合合的的蛋蛋白白质质的的类型类型 双功能交联剂和双向电泳分离可用于研究双功能交联剂和双向电泳分离可用于研究r r蛋白在结构上的相互关系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，研究电镜负染色与免疫标记技术结合，研究r r蛋白在核糖体的亚单位上的定位。蛋白在核糖体的亚单位上的定位。对对rRNArRNA，特别是对，特别是对16S rRNA16S rRNA结构的研究结构的研究 70S70S核糖体的小亚单位中核糖体的小亚单位中rRNArRNA与全部的与全部的r r蛋白关系的蛋白关系的空间模型空间模型 第5页，本讲稿共21页同同一一生生物物中中不不同同种种类类的的r r蛋蛋白白的的一一级级结结构构均均不不相相同同，在免疫学上几乎没有同源性。在免疫学上几乎没有同源性。不同生物同一种类不同生物同一种类r r蛋白之间具有很高的同源性，蛋白之间具有很高的同源性，并在进化上非常保守。并在进化上非常保守。第6页，本讲稿共21页 蛋白质结合到蛋白质结合到rRNArRNA上具有先后上具有先后层次性层次性。核糖体的重组装是自我装配过程核糖体的重组装是自我装配过程 第7页，本讲稿共21页 16SrRNA16SrRNA的一级结构是非常保守的的一级结构是非常保守的 16SrRNA16SrRNA的二级结构具有更高的保守性：的二级结构具有更高的保守性：臂环结构臂环结构(stem-loop structure)(stem-loop structure)rRNArRNA臂环结构的三级结构模型臂环结构的三级结构模型 第8页，本讲稿共21页蛋白质合成过程中很多重蛋白质合成过程中很多重蛋白质合成过程中很多重蛋白质合成过程中很多重要步骤与要步骤与要步骤与要步骤与50S50S50S50S核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关核糖体大亚单位相关 涉及的多数因子为涉及的多数因子为G G蛋白蛋白(具有具有GTPaseGTPase活性活性)，核糖体上与，核糖体上与 之相关位点称为之相关位点称为GTPaseGTPase相关位点。相关位点。最近人们成功地制备最近人们成功地制备L11-rRNAL11-rRNA复合物的晶体，获得了其复合物的晶体，获得了其 空间结构高分辨率的空间结构高分辨率的三维图象三维图象。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，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从而为揭开核糖体这一具有3030多亿年历史的古老的高度复杂的分子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。机器的运转奥秘迈出了极重要的一步。第9页，本讲稿共21页三、核糖体蛋白质与三、核糖体蛋白质与rRNArRNA的功能分析的功能分析 核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结 合位点合位点与催化位点与催化位点 在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究 第10页，本讲稿共21页 核糖体上具有一系列与蛋白质核糖体上具有一系列与蛋白质核糖体上具有一系列与蛋白质核糖体上具有一系列与蛋白质 合成有关的合成有关的合成有关的合成有关的结合位点与催化位点结合位点与催化位点结合位点与催化位点结合位点与催化位点 与与mRNAmRNA的结合位点的结合位点 与新掺入的氨酰与新掺入的氨酰-tRNA-tRNA的结合位点的结合位点氨酰基位点，又称氨酰基位点，又称A A位点位点 与延伸中的肽酰与延伸中的肽酰-tRNA-tRNA的结合位点的结合位点肽酰基位点，又称肽酰基位点，又称P P位点位点 肽酰转移后与即将释放的肽酰转移后与即将释放的tRNAtRNA的结合位点的结合位点EE位点位点(exit site)(exit site)与肽酰与肽酰tRNAtRNA从从A A位点转移到位点转移到P P位点有关的转移酶位点有关的转移酶(即延伸因子即延伸因子 EF-G)EF-G)的结合位点的结合位点 肽酰转移酶的催化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 结合位点结合位点 第11页，本讲稿共21页在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究 核糖体蛋白核糖体蛋白 在核糖体中在核糖体中rRNArRNA是起主要作用的结构成分是起主要作用的结构成分 r r蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能 第12页，本讲稿共21页核糖体蛋白核糖体蛋白 很难确定哪一种蛋白具有催化功能：很难确定哪一种蛋白具有催化功能：在在E.coliE.coli中中核核糖糖体体蛋蛋白白突突变变甚甚至至缺缺失失对对蛋蛋白白质质合合成成并并没没有有表表现出现出“全全”或或“无无”的影响。的影响。多多数数抗抗蛋蛋白白质质合合成成抑抑制制剂剂的的突突变变株株，并并非非由由于于r r蛋蛋白白的的基基因因突突变变而往往是而往往是 rRNArRNA基因突变。基因突变。在整个进化过程中在整个进化过程中rRNArRNA的结构比核糖体蛋白的结构具有更的结构比核糖体蛋白的结构具有更高的保守性。高的保守性。第13页，本讲稿共21页在核糖体中在核糖体中rRNArRNA是起主要作用的结构成分是起主要作用的结构成分 具有肽酰转移酶的活性；具有肽酰转移酶的活性；为为tRNAtRNA提供结合位点提供结合位点(A(A位点、位点、P P位点和位点和E E位点位点)；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；为多种蛋白质合成因子提供结合位点；在在蛋蛋白白质质合合成成起起始始时时参参与与同同mRNAmRNA选选择择性性地地结结合合以以及及在在肽肽链链的的延延伸伸中中与与mRNAmRNA结合；结合；核核糖糖体体大大小小亚亚单单位位的的结结合合、校校正正阅阅读读(proofreading)(proofreading)、无无意意义义链链或或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都与框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都与rRNArRNA有关。有关。第14页，本讲稿共21页r r蛋白质的主要功能蛋白质的主要功能 对对rRNA rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；折叠成有功能的三维结构是十分重要的；在蛋白质合成中在蛋白质合成中,某些某些r r蛋白可能对核糖体的构象蛋白可能对核糖体的构象 起起“微调微调”作用；作用；在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中在核糖体的结合位点上甚至可能在催化作用中,核核 糖体蛋白与糖体蛋白与rRNArRNA共同行使功能。共同行使功能。第15页，本讲稿共21页第二节第二节 聚核糖体与蛋白质的合成聚核糖体与蛋白质的合成 多聚核糖体多聚核糖体(polyribosome(polyribosome或或polysome)polysome)蛋白质的合成蛋白质的合成 RNARNA在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程 第16页，本讲稿共21页一、多聚核糖体一、多聚核糖体 (polyribosome(polyribosome(polyribosome(polyribosome或或polysome)polysome)polysome)polysome)概念概念 核核糖糖体体在在细细胞胞内内并并不不是是单单个个独独立立地地执执行行功功能能，而而是是由由多多个个甚甚至至几几十十个个核核糖糖体体串串连连在在一一条条mRNAmRNA分分子子上上高高效效地地进进行行肽肽链链的的合合成成，这这种种具具有有特特殊殊功功能能与与形形态态结构的核糖体与结构的核糖体与mRNAmRNA的聚合体称为的聚合体称为多聚核糖体多聚核糖体。多聚核糖体的生物学意义多聚核糖体的生物学意义 细细胞胞内内各各种种多多肽肽的的合合成成，不不论论其其分分子子量量的的大大小小或或是是mRNAmRNA的的长长短短如如何何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等。单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等。以以多多聚聚核核糖糖体体的的形形式式进进行行多多肽肽合合成成，对对mRNAmRNA的的利利用用及及对对其其浓浓度度的的调调控控更更为为经经济济和和有效。有效。第17页，本讲稿共21页三、三、三、三、RNARNARNARNA在生命起源中的在生命起源中的在生命起源中的在生命起源中的地位及其演化过程地位及其演化过程地位及其演化过程地位及其演化过程 生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系 DNADNA代替了代替了RNARNA的遗传信息功能的遗传信息功能 蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分RNARNA酶的功能酶的功能 第18页，本讲稿共21页生命是自我复制的体系生命是自我复制的体系 三种生物大分子，只有三种生物大分子，只有RNARNA既具有信息载体既具有信息载体 功能又具有酶的催化功能。因此，推测功能又具有酶的催化功能。因此，推测RNARNA 可能是生命起源中最早的生物大分子。可能是生命起源中最早的生物大分子。核酶核酶(ribosome)(ribosome)：具有催化作用的：具有催化作用的RNA(RNA(端粒酶端粒酶)由由RNARNA催化产生了蛋白质催化产生了蛋白质 第19页，本讲稿共21页DNADNA代替了代替了RNARNA的遗传信息功能的遗传信息功能 DNADNA双链比双链比RNARNA单链稳定；单链稳定；DNADNA链中胸腺嘧啶代替了链中胸腺嘧啶代替了RNARNA链中的尿嘧啶，链中的尿嘧啶，使之易于修复。使之易于修复。第20页，本讲稿共21页蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分蛋白质取代了绝大部分RNARNARNARNA酶的功能酶的功能酶的功能酶的功能 蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性；与与RNARNA相比，蛋白质能更为有效地催化多种生化相比，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。演化成今天的细胞。第21页，本讲稿共21页