第十一章核糖体

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。
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。
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
(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。
(二)、 延伸 方向：mRNA 5/ 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 （ peptidyl transferase）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。
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 16s rRNA，在大亚单位中的为23S rRNA和 5S rRNA。 – 真核生物的核糖体含有4种rRNA，在小亚单位中的为 18S rRNA，在大亚单位中的为 28S、5S和 5.8S rRNA。 – 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。
(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
（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
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)
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
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。
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。
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23S rRNA 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 。
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。
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
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
（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 16S rRNA 3 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 16S rRNA 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 16S rRNA 的配对还为识别起始密码子和 Met 密码子 提供了一种机制。
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
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）
L11-rRNA复合物的三维结构 (引自Porse et.al.,1999)
蛋白质的合成
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。
（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。