1、第九章第九章 核糖體核糖體(ribosome) 概述概述核糖體的類型與結構核糖體的類型與結構 多聚核糖體與蛋白質的合成多聚核糖體與蛋白質的合成 第一節第一節 核糖體的類型與結構核糖體的類型與結構核糖體是細胞內一種核糖核蛋白顆粒，其惟一功能是按照mRNA的指令將氨基酸合成蛋白質多肽鏈,所以核糖體是細胞內蛋白質合成的分子機器。按核糖體存在的部位可分為三種類型按核糖體存在的部位可分為三種類型: 細胞質核糖細胞質核糖體、線粒體核糖體、葉綠體核糖體。體、線粒體核糖體、葉綠體核糖體。按存在的生物類型可分為兩種類型：按存在的生物類型可分為兩種類型：真核生物核糖體和原核生物核糖體。原核細胞的核糖體較小, 沉降

2、系數為70S，相對分子質量為2.5x103 kDa,由50S和30S兩個亞基組成; 而真核細胞的核糖體體積較大, 沉降系數是80S，相對分子質量為3.94.5x103 kDa, 由60S和40S兩個亞基組成。l在真核細胞中, 核糖體進行蛋白質合成時，既可以游離在細胞質中, 稱為游離核糖體, 也可以附著在內質網的表面, 稱為膜旁核糖體或附著核糖體。l真核細胞含有較多的核糖體, 每個細胞平均有106 107 個, 而原核細胞中核糖體較少每個細胞平均只有15102 18103 個。u典型的原核生物大腸桿菌核糖體是由50S大亞基和30S小亞基組成的。在完整的核糖體中，rRNA約占2/3, 蛋白質約為1

3、/3。50S大亞基含有34種不同的蛋白質和兩種RNA分子，相對分子質量大的rRNA的沉降系數為23S，相對分子質量小的rRNA為5S。30S小亞基含有21種蛋白質和一個16S的rRNA分子。u真核細胞核糖體的沉降系數為80S，大亞基為60S，小亞基為40S。在大亞基中，有大約49種蛋白質，另外有三種rRNA 28S rRNA、5S rRNA和5.8S rRNA。小亞基含有大約33種蛋白質，一種18S的rRNA。n核糖體核糖體是細胞內一種核糖核蛋白顆粒是細胞內一種核糖核蛋白顆粒, 其惟一功能其惟一功能是按照是按照mRNA的指令將氨基酸合成蛋白質多肽鏈的指令將氨基酸合成蛋白質多肽鏈, 是細胞內蛋白

4、質合成的分子機器。是細胞內蛋白質合成的分子機器。隨著分子生物學隨著分子生物學的發展，核糖體概念的涵意有了進一步的發展。的發展，核糖體概念的涵意有了進一步的發展。n細胞內除了從事蛋白質合成的核糖體外，還有許多細胞內除了從事蛋白質合成的核糖體外，還有許多其它功能的核糖核蛋白體顆粒，通常是一些小分子其它功能的核糖核蛋白體顆粒，通常是一些小分子的的RNA同蛋白質組成的顆粒，它們同蛋白質組成的顆粒，它們參與參與RNA的加的加工、工、RNA的編輯、基因表達的調控等。的編輯、基因表達的調控等。一、核糖體的基本類型與成分一、核糖體的基本類型與成分核糖體的類型核糖體的類型l按存在的部位按存在的部位: 有三種類型

5、核糖體，細胞質核糖體、線粒體核糖體、葉綠體核糖體。l按存在的生物類型按存在的生物類型: 分為兩種類型，即真核生物核糖體和原核生物核糖體。原核細胞的核糖體較小,沉降系數為70S,相對分子質量為2.5x103kDa，由50S和30S兩個亞基組成；而真核細胞的核糖體體積較大，沉降系數是80S，相對分子質量為3.9-4.5x103 kDa，由60S和40S兩個亞基組成。主要成分主要成分r蛋白質：40%，核糖體表面rRNA:60%，核糖體內部核糖體的分布核糖體的分布 常分布于蛋白質合成旺盛的區域，其數量與蛋白質常分布于蛋白質合成旺盛的區域，其數量與蛋白質合成程度有關。合成程度有關。核糖體的大小亞單位在細

6、胞內常常游離于細胞質基質中，只有當小亞單位與mRNA結合后，大亞單位才與小亞單位結合形成完整的核糖體。肽鏈合稱終止后，小亞單位解離，又游離存在于細胞質基質中。非共價鍵非共價鍵各種來源的核糖體亞基組成各種來源的核糖體亞基組成 來來 源源 完整核糖體完整核糖體 核糖體亞基核糖體亞基 核糖體核糖體RNAsRNAs 細胞質細胞質 80S 60S(80S 60S(大亞基大亞基) 28S) 28S( (真核生物真核生物) ) 40S(40S(小亞基小亞基) 18S) 18S，5.8S,5S5.8S,5S 細胞質細胞質 70S 50S(70S 50S(大亞基大亞基) 23S) 23S( (原核生物原核生物)

7、 30S() 30S(小亞基小亞基) 16S) 16S，5S5S 線粒體線粒體 55-60S 45S(55-60S 45S(大亞基大亞基) 16S) 16S( (哺乳動物哺乳動物) ) 35S(35S(小亞基小亞基) 12S) 12S 線粒體線粒體 75S 53S(75S 53S(大亞基大亞基) 21S) 21S( (酵母酵母) ) 35S(35S(小亞基小亞基) 14S) 14S線粒體線粒體 78S 60S(78S 60S(大亞基大亞基) 26S) 26S( (高等植物高等植物) ) 45S(45S(小亞基小亞基) 18S) 18S，5S5S 葉綠體葉綠體 70S 50S(70S 50S(大

8、亞基大亞基) 23S) 23S 30S( 30S(小亞基小亞基) 16S) 16S，5S5Su核糖體的生物發生核糖體的生物發生(biogenesis)u核糖體的合成和裝配過程相當復雜。真核細胞和原核細胞的核糖體合成和裝配過程各不相同。核糖體的生物發生包括蛋白質和rRNA的合成、核糖體亞基的組裝等。 核糖體核糖體rRNA基因的轉錄與加工基因的轉錄與加工u核糖體的組成成分是蛋白質和rRNA，所以編碼核糖體的基因分為兩類，一類是蛋白質基因，另一類是rRNA基因。在生活細胞中，特別是在活躍進行蛋白質合成的細胞中，需要大量的核糖體，這就意味著需要合成大量的rRNA和核糖體蛋白質。 編碼編碼rRNA基因的

9、過量擴增基因的過量擴增 細胞為了滿足大量需求的rRNA，通過兩種方式擴大rRNA基因的拷貝數：在染色體上增加rRNA基因的拷貝數，如在細菌E.coli的基因組中有七套rRNA基因，而典型的真核生物細胞含有幾百到幾千個28S、18S和5.8S rRNA基因的拷貝，5S rRNA基因的拷貝數多達50000個。通過基因擴增(gene amplification)?？茖W家用兩棲類的卵細胞(卵母細胞)研究在發育過程中rRNA基因的擴增。發現兩棲類卵母細胞在發育的早期，rRNA基因的數量擴增到1000多倍。真核生物真核生物18S、5.8S、28S rRNA和和5SrRNA基因基因編碼rRNA基因的DNA稱

10、為rDNA。真核生物有四種rRNA基因, 其中18S、5.8S和28S rRNA基因是串聯在一起的,每個基因被間隔區隔開, 5S rRNA基因則位于不同染色體上。18S、5.8S、28S rRNA基因轉錄與加工基因轉錄與加工18S rRNA、5.8S rRNA和28S rRNA基因首先轉錄成一個45S的前體rRNA(pre-rRNA)，大約是這3 個rRNA總長的2倍。能夠轉錄這3個rRNA前體的DNA區域稱為一個轉錄單位，意指它們有一個共同的轉錄起點和轉錄終點。轉錄酶轉錄酶:真核生物中參與rRNA基因轉錄的酶是RNA聚合酶。前體加工前體加工前體rRNA在核仁中被酶剪切成3個rRNA產物，轉錄

11、間隔區則被降解掉。根據3H標記的尿嘧啶和放線菌素D研究人的培養細胞前體rRNA的合成的結果推測了前體rRNA的加工過程。核輸入與核輸出核輸入與核輸出5S rRNA基因基因的轉錄與加工的轉錄與加工 5S rRNA是核糖體大亞基的一個組份，原核生物和真核生物都有5S rRNA，而且結構相似。5S rRNA基因基因: 真核生物的5S rRNA基因與其他三種rRNA基因不在同一條染色體上，它是由核仁以外的染色體基因轉錄的，然后運輸到核仁內參與核糖體的裝配。 二、核糖體蛋白質與二、核糖體蛋白質與rRNA的功能分析的功能分析u核糖體上具有一系列與蛋白質合成有關的結合位點與催化位點 u在蛋白質合成中肽酰轉移

12、酶的活性研究 u核糖體的功能位點核糖體的功能位點l原核生物核糖體中有四種與四種與RNA分子結合的位點分子結合的位點，其中一個是與mRNA結合的位點，另三個是與三個是與tRNA結合的位點結合的位點。 A位點位點(A site) P位點位點(P site) E 位點位點(exit site，E site) mRNA結合位點結合位點 與新摻入的氨酰與新摻入的氨酰-tRNA的結合位點的結合位點氨酰基位點，氨?；稽c，又稱又稱A位點。位點。與延伸中的肽酰與延伸中的肽酰-tRNA的結合位點的結合位點肽酰基位點，肽酰基位點，又稱又稱P位點。位點。肽酰轉移后與即將釋放的肽酰轉移后與即將釋放的tRNA的結合位點

13、的結合位點E位位點點(exit site)。與肽酰與肽酰tRNA從從A位點轉移到位點轉移到P位點有關的轉移酶位點有關的轉移酶 (即延伸因子即延伸因子EF-G)的結合位點的結合位點-GTP酶的結合位點。酶的結合位點。肽酰轉移酶的催化位點。肽酰轉移酶的催化位點。與蛋白質合成有關的與蛋白質合成有關的其它起始因子、延伸因子和終其它起始因子、延伸因子和終止因子的結合位點止因子的結合位點 。核糖體的功能位點核糖體的功能位點在蛋白質合成中肽酰轉移酶的活性研究在蛋白質合成中肽酰轉移酶的活性研究 核糖體蛋白核糖體蛋白 在核糖體中在核糖體中rRNA是起主要作用的結構成分是起主要作用的結構成分r蛋白質的主要功能蛋白

14、質的主要功能 核糖體蛋白核糖體蛋白u很難確定哪一種蛋白具有催化功能： 在E.coli中核糖體蛋白突變甚至缺失對蛋白質合并沒有表現出“全”或“無”的影響。u多數抗蛋白質合成抑制劑的突變株，并非由于r蛋白的基因突變而往往是 rRNA基因突變。u在整個進化過程中rRNA的結構比核糖體蛋白的結構具有更高的保守性。 在核糖體中在核糖體中rRNArRNA是起主要作用的結構成分是起主要作用的結構成分具有肽酰轉移酶的活性；為tRNA提供結合位點(A位點、P位點和E位點)；為多種蛋白質合成因子提供結合位點；在蛋白質合成起始時參與同mRNA選擇性地結合以 及在肽鏈的延伸中與mRNA結合；核糖體大小亞單位的結合、校

15、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。 r蛋白質的主要功能蛋白質的主要功能對rRNA折疊成有功能的三維結構是十分重要的；在蛋白質合成中,某些r蛋白可能對核糖體的構象起“微調”作用；在核糖體的結合位點上甚至可能在催化作用中,核糖體蛋白與rRNA共同行使功能。 第二節第二節 多聚核糖體與蛋白質的合成多聚核糖體與蛋白質的合成多聚核糖體多聚核糖體(polyribosome或或polysome) 蛋白質的合成蛋白質的合成 RNA在生命起源中的地位及其演化過程在生命起源中的地位及其演化過程 polyribosome概念：概念：核糖體在細胞內并

16、不是單個獨立地執行功能，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結構的核糖體與mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。 多聚核糖體的生物學意義：多聚核糖體的生物學意義：細胞內各種多肽的合成, 不論其分子量的大小或是mRNA的長短如何, 單位時間內所合成的多肽分子數目都大體相等。以多聚核糖體的形式進行多肽合成，對mRNA的利用及對其濃度的調控更為經濟和有效。 多聚多聚核糖核糖體體l 蛋白質合成的基本過程蛋白質合成的基本過程蛋白質合成，或稱mRNA翻譯是細胞中最復雜的合成活動。蛋白質的合成需要攜帶氨基酸的各種tRNA、核糖體、mRNA、不同功能的蛋白質

17、、陽離子、GTP等的參與。蛋白質的合成，是三種不同類型的RNA通力合作的結果。在核糖體上合成多肽鏈，分為三個完全不同的過程: 鏈的起始、鏈的延伸、鏈的終止。鏈的起始、鏈的延伸、鏈的終止。1、蛋白質合成的起始、蛋白質合成的起始(initiation)蛋白質合成的起始涉及到mRNA、起始tRNA和核糖體小亞基之間的相互作用，最后裝配成完整的核糖體。2、多肽鏈的延伸、多肽鏈的延伸(elongation)一旦起始復合物形成，蛋白質的合成隨即開始，此過程稱為蛋白質合成的延伸。延伸涉及四個重復的步驟延伸涉及四個重復的步驟 氨酰tRNA進入核糖體的A位點；肽鍵形成；轉位; 脫氨酰tRNA釋放。上述四步的循環

18、，使肽鏈不斷延長。在整個過程中，需要GTP和一些延長因子的參與。3.終止終止(termination)蛋白質合成的終止是指核糖體沿著mRNA移動，如果進入A位的是終止密碼子，由于沒有與之匹配的反密碼子，而終止蛋白質的合成。一共有三種終止密碼子: UAA、UAG、UGA，其中任何一種進入A位都會終止蛋白質的合成，并導致多肽鏈從核糖體釋放出來。生命是自我復制的體系 DNA代替了RNA的遺傳信息功能蛋白質取代了絕大部分RNA酶的功能 生命是自我復制的體系生命是自我復制的體系三種生物大分子，只有三種生物大分子，只有RNARNA既具有信息載體功能又既具有信息載體功能又具有酶的催化功能。因此，推測具有酶的催化功能。因此，推測RNARNA可能是生命起可能是生命起源中最早的生物大分子。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RNARNA。由由RNARNA催化產生了蛋白質催化產生了蛋白質 DNA代替了代替了RNA的遺傳信息功能的遺傳信息功能DNADNA雙鏈比雙鏈比RNARNA單鏈穩定；單