細(xì)胞生物學(xué)11核糖體ppt課件

1、第十一章第十一章 核糖體核糖體(ribosome)(ribosome)核糖體核糖體 (ribosome) 是核糖核是核糖核蛋白體的簡稱，是合成蛋白質(zhì)的蛋白體的簡稱，是合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞元件，其獨(dú)一的功能就是按細(xì)胞元件，其獨(dú)一的功能就是按照照mRNA的指令由氨基酸高效且的指令由氨基酸高效且準(zhǔn)確地合成出多肽鏈。準(zhǔn)確地合成出多肽鏈。第十一章第十一章 核糖體核糖體(ribosome)(ribosome) 核糖體的根本類型核糖體的根本類型 多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成作業(yè)作業(yè)第一節(jié)第一節(jié) 核糖體的根本類型核糖體的根本類型 類型與組成成分類型與組成成分 核糖體蛋白質(zhì)與核糖體蛋白質(zhì)與 rR

2、NA的功能分析的功能分析一、核糖體的根本類型與成分一、核糖體的根本類型與成分 根本類型根本類型 附著核糖體附著核糖體 游離核糖體游離核糖體 70S的核糖體的核糖體 80S的核糖體的核糖體 主要成分主要成分 r-protein: 40%，核糖體外表，核糖體外表 rRNA: 60%，核糖體內(nèi)部，核糖體內(nèi)部游離于細(xì)胞質(zhì)還是附著于游離于細(xì)胞質(zhì)還是附著于ER存在于原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞存在于原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞Free and membrane-bound ribosomesComparison of ribosome structures: E.coli 70S (upper row in each p

3、anel, structure from 18,19) and yeast 80S (lower row in each panel) ribosomes, both limited to 35 resolution. (AJ) Rotational series, with a rotational increment around the vertical axis of 36. Scale bar 100 . (K) Exploded views of E.coli and yeast ribosomes, showing close correspondence of features

4、 of interface surfaces of ribosomal subunits, most notably the interface canyon (IC). CP, central protuberance; S, stalk; L1 or L1, L1 or L1 analog arm; h, head; g, neck groove; p, platform. Note that the lower right portion of the small subunit and the lower left portion of the large subunit are su

5、rfaces where the sectioning plane has cut a mass that is merged between the two subunits at this resolution. (adapted from Nucleic Acids Research, 1998, 26(2):655-661)Comparison of Ribosomal Components between Prokaryotes and EukaryotesspeciesribosomesubunitrRNAr-protein bacterium70S;相對(duì)分子量：2.5106;66

6、%RNA.50S 23S=2904 bp 5S=120 bp 3130S 16S=1542 bp 21 mammalian80S;相對(duì)分子量：4.2106;60%RNA.60S 28S=4718 bp5.8S=160 bp 5S=120 bp 4940S 18S=1874 bp 33核糖體的構(gòu)造核糖體的構(gòu)造 構(gòu)造與功能的分析方法構(gòu)造與功能的分析方法 蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟與驟與 50S 核糖體大亞單位相關(guān)核糖體大亞單位相關(guān)構(gòu)造與功能的分析方法構(gòu)造與功能的分析方法離子交換樹脂可分別純化各種離子交換樹脂可分別純化各種 r 蛋白；蛋白；純化的純化的 r 蛋白與純化的蛋

7、白與純化的rRNA進(jìn)展核糖體的重組裝，顯進(jìn)展核糖體的重組裝，顯示核糖體中示核糖體中 r 蛋白與蛋白與rRNA的構(gòu)造關(guān)系的構(gòu)造關(guān)系雙向電泳技術(shù)可顯示出雙向電泳技術(shù)可顯示出 E. coli 核糖體在裝配各階段中，核糖體在裝配各階段中，與與rRNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型結(jié)合的蛋白質(zhì)的類型雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分別可用于研討雙功能的交聯(lián)劑和雙向電泳分別可用于研討 r 蛋白在構(gòu)蛋白在構(gòu)造上的相互關(guān)系造上的相互關(guān)系電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)志技術(shù)結(jié)合，研討電鏡負(fù)染色與免疫標(biāo)志技術(shù)結(jié)合，研討 r 蛋白在核糖體蛋白在核糖體的亞單位上的定位。的亞單位上的定位。對(duì)對(duì)rRNA，特別是對(duì)，特別是對(duì)16S rRNA構(gòu)造的研討構(gòu)造

8、的研討70S核糖體的小亞單位中核糖體的小亞單位中rRNA與全部的與全部的 r 蛋白關(guān)系的空蛋白關(guān)系的空間模型間模型同終身物中不同種類的同終身物中不同種類的 r 蛋白的一級(jí)構(gòu)蛋白的一級(jí)構(gòu)造均不一樣，在免疫學(xué)上幾乎沒有同源造均不一樣，在免疫學(xué)上幾乎沒有同源性。性。不同生物同一種類不同生物同一種類 r 蛋白之間具有很高蛋白之間具有很高的同源性，的同源性， 并在進(jìn)化上非常保守。并在進(jìn)化上非常保守。 E. coli (a) 核糖體小亞單位中的部分核糖體小亞單位中的部分r蛋白與蛋白與rRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn) (b) 及其在小亞單位上的部位及其在小亞單位上的部位蛋白質(zhì)結(jié)合到蛋白質(zhì)結(jié)合到rRNA上具有先后

9、層次性；上具有先后層次性；核糖體的重組裝是自我裝配過程。核糖體的重組裝是自我裝配過程。E. Coli 核糖體小亞單位中核糖體小亞單位中rRNA與與 r 蛋白的相互關(guān)系表示圖蛋白的相互關(guān)系表示圖線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)粗線與弱細(xì)線線條表示相互作用及作用力的強(qiáng)粗線與弱細(xì)線引自引自Alberts et al, 1989 16S rRNA的一級(jí)構(gòu)造是非常保守的；的一級(jí)構(gòu)造是非常保守的； 16S rRNA的二級(jí)構(gòu)造具有更高的保守性：的二級(jí)構(gòu)造具有更高的保守性： 臂環(huán)構(gòu)造臂環(huán)構(gòu)造 (stem-loop structure) rRNA臂環(huán)構(gòu)造的三級(jí)構(gòu)造模型。臂環(huán)構(gòu)造的三級(jí)構(gòu)造模型。 核糖體小亞單位核糖體

10、小亞單位rRNA的二級(jí)構(gòu)造的二級(jí)構(gòu)造 (a) E. coli 16S rRNA；紅色為高度保守區(qū)；紅色為高度保守區(qū)； (b) 酵母菌酵母菌18S rRNA，它們都具有類似的，它們都具有類似的40個(gè)臂環(huán)構(gòu)造圖中個(gè)臂環(huán)構(gòu)造圖中140，其長度和位置往，其長度和位置往 往非常保守；往非常保守；P、E分別代表僅在原核或真核細(xì)胞中存在的分別代表僅在原核或真核細(xì)胞中存在的rRNA的二級(jí)構(gòu)造。的二級(jí)構(gòu)造。蛋白質(zhì)合成過程中很多重蛋白質(zhì)合成過程中很多重要步驟與要步驟與50S核糖體大亞單位相關(guān)核糖體大亞單位相關(guān)涉及的多數(shù)因子為涉及的多數(shù)因子為G蛋白具有蛋白具有GTPase活性，核糖體活性，核糖體上與之相關(guān)位點(diǎn)稱為上

11、與之相關(guān)位點(diǎn)稱為GTPase相關(guān)位點(diǎn)。相關(guān)位點(diǎn)。最近人們勝利地制備最近人們勝利地制備L11-rRNA復(fù)合物的晶體，獲得了復(fù)合物的晶體，獲得了其空間構(gòu)造高分辨率的三維圖象。其空間構(gòu)造高分辨率的三維圖象。 這一結(jié)果證明了前人用各種實(shí)驗(yàn)所獲得的種種結(jié)論。這一結(jié)果證明了前人用各種實(shí)驗(yàn)所獲得的種種結(jié)論。 提出直觀、可靠而且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和能提出直觀、可靠而且比人們的預(yù)料更為精巧復(fù)雜和能夠的作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有夠的作用機(jī)制，從而為揭開核糖體這一具有30多億年歷多億年歷史的、古老的、高度而復(fù)雜的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧妙邁出史的、古老的、高度而復(fù)雜的分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)奧妙邁出了極重要的一步。了極

12、重要的一步。L11-rRNA 復(fù)復(fù) 合合 物物 的的 三三 維維 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)二、核糖體蛋白質(zhì)與二、核糖體蛋白質(zhì)與 rRNA 的功能分析的功能分析 核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn) 在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研討性研討 核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì) 合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)與與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)；的結(jié)合位點(diǎn)；與新?lián)饺氲陌滨Ｅc新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn) 氨?；滨；稽c(diǎn)，又稱位點(diǎn)，又稱A位點(diǎn)；位點(diǎn)；與延伸中的肽酰與延伸中

13、的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn) 肽?；孽；稽c(diǎn)，又稱位點(diǎn)，又稱P位點(diǎn)；位點(diǎn)；肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn) E位點(diǎn)位點(diǎn)(exit site)；與肽酰與肽酰-tRNA從從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶即延伸因子即延伸因子EF-G) 的結(jié)合位點(diǎn)；的結(jié)合位點(diǎn)；肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)；肽酰轉(zhuǎn)移酶的催化位點(diǎn)；與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點(diǎn)。終止因子的結(jié)合位點(diǎn)。(a) Important Binding Sites on the Prokaryotic Ribo

14、someThis model of ribosome structure shows the A (aminoacyl) and P (peptidyl) sites as cavities on the ribosome where charged (amino acid-carrying) tRNA molecules bind during polypeptide synthesis. The more recently postulated E (exit) site is the site from which discharged tRNAs leave the ribosome.

15、 The mRNA-binding site binds a particular nucleotide sequence near the 5 end of the mRNA, placing the mRNA in the proper position for the translation of its first codon. (a) The diagrammatic representation of a ribosome. The pair of horizontal dashed lines indicate where the mRNA molecule lies. (b)

16、A more realistic representation. The binding sites are all located at or near the interface between the large and small subunits. (b)在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研討在蛋白質(zhì)合成中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性研討 核糖體蛋白核糖體蛋白 在核糖體中在核糖體中rRNA是起主是起主要作用的構(gòu)呵斥分要作用的構(gòu)呵斥分 r 蛋白質(zhì)的主要功能蛋白質(zhì)的主要功能核糖體蛋白核糖體蛋白很難確定哪一種蛋白具有催化功能：很難確定哪一種蛋白具有催化功能： 在在E. coli中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋

17、中核糖體蛋白突變甚至缺失對(duì)蛋白質(zhì)合成并沒有表現(xiàn)出白質(zhì)合成并沒有表現(xiàn)出“全或全或“無的影響。無的影響。多數(shù)抗蛋白質(zhì)合成抑制劑的突變株，并非由于多數(shù)抗蛋白質(zhì)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蛋白的基因突變而往往是 rRNA基因突變?；蛲蛔儭Ｔ谡麄€(gè)進(jìn)化過程中在整個(gè)進(jìn)化過程中rRNA的構(gòu)造比核糖體蛋白的構(gòu)造比核糖體蛋白的構(gòu)造具有更高的保守性。的構(gòu)造具有更高的保守性。在核糖體中在核糖體中rRNA是起主要作用的構(gòu)呵斥分是起主要作用的構(gòu)呵斥分 具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性；具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性； 為為tRNA提供結(jié)合位點(diǎn)提供結(jié)合位點(diǎn)A位點(diǎn)、位點(diǎn)、P位點(diǎn)和位點(diǎn)和E位點(diǎn)；位點(diǎn)；為多種蛋白質(zhì)合成因子

18、提供結(jié)合位點(diǎn)；為多種蛋白質(zhì)合成因子提供結(jié)合位點(diǎn)；在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同在蛋白質(zhì)合成起始時(shí)參與同mRNA選擇性地選擇性地結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與結(jié)合以及在肽鏈的延伸中與mRNA結(jié)合；結(jié)合；核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀核糖體大小亞單位的結(jié)合、校正閱讀(proof reading)、無意義鏈或框架漂移的校正、以、無意義鏈或框架漂移的校正、以及抗菌素的作用等都與及抗菌素的作用等都與rRNA有關(guān)。有關(guān)。r 蛋白質(zhì)的主要功能蛋白質(zhì)的主要功能對(duì)對(duì)rRNA 折疊成有功能的三維構(gòu)造是非常重折疊成有功能的三維構(gòu)造是非常重要的；要的；在蛋白質(zhì)合成中在蛋白質(zhì)合成中, 某些某些r蛋白能夠?qū)颂求w蛋白能夠?qū)颂求w的

19、構(gòu)象起的構(gòu)象起“微調(diào)作用；微調(diào)作用；在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至能夠在催化作在核糖體的結(jié)合位點(diǎn)上甚至能夠在催化作用中用中, 核糖體蛋白與核糖體蛋白與rRNA共同行使功能。共同行使功能。第二節(jié)第二節(jié) 多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成多聚核糖體與蛋白質(zhì)的合成 多聚核糖體多聚核糖體 (polyribosome or polysome) 蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成 (synthesis of the protein) RNA在生命來源中的位置及其演化過程在生命來源中的位置及其演化過程一、多聚核糖體一、多聚核糖體(polyribosome or polysome)細(xì)胞內(nèi)各種多肽的合成，不論其分子量的大小或是細(xì)胞內(nèi)各種

20、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(shí)間內(nèi)所合成的多肽分子的長短如何，單位時(shí)間內(nèi)所合成的多肽分子數(shù)目都大體相等。數(shù)目都大體相等。以多聚核糖體的方式進(jìn)展多肽合成，對(duì)以多聚核糖體的方式進(jìn)展多肽合成，對(duì)mRNA的利的利用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。用及對(duì)其濃度的調(diào)控更為經(jīng)濟(jì)和有效。概念概念 核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而核糖體在細(xì)胞內(nèi)并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能，而是由多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條是由多個(gè)甚至幾十個(gè)核糖體串連在一條mRNA分子上高分子上高效地進(jìn)展肽鏈的合成，這種具有特殊功能與形狀構(gòu)造效地進(jìn)展肽鏈的合成，這種具有特殊功能與形狀構(gòu)造的核糖體與的核糖體與

21、mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。的聚合體稱為多聚核糖體。多聚核糖體的生物學(xué)意義多聚核糖體的生物學(xué)意義Visualizing transcription and translation(a)(b)LargesubunitSmallsubunitmRNALargesubunitSmallsubunitCompletedpolypeptide(a)(b)(c) Polyribosomes(a) Schematic drawing of a polyribsome (polysome). (b) Electron micrograph of a grazing section through the

22、outer edge of a rough ER cisterna. The ribosomes are aligned in loops and spirals, indicating their attachment to mRNA molecules to form polysomes. (c) Electron micrograph of metal-shadowed polysomes isolated from reticulocytes engaged in hemoglobin synthesis. Most of these polysomes have between fo

23、ur and six ribosomes. mRNA+In step 1, initiation of translation begins with the association of the 30S ribosomal subunit with the mRNA at the AUG initiation codon, a step that requires IF1 and IF3. The 30S ribosomal subunit binds to the mRNA at the AUG initiation codon as the result of an interactio

24、n between a complementary nucleotide sequence on the rRNA and mRNA. In step 2, a ternary (three-membered) complex consisting of formylmethionyl-tRNA-IF2-GTP becomes associated with the mRNA-30S ribosomal subunit complex accompanied by the release of IF3. In step 3, the 50S subunit joins the complex

25、with the accompanying release of IF1, IF2, and the products of GTP hydrolysis (GDP and Pi). The initiation of protein synthesis in prokaryotes(a)(b)Steps in the elongation of the nascent polypeptide during translation in prokaryotes(a) In step 1, an aminoacyl-tRNA whose anticodon is complementary to

26、 the second codon of the mRNA enters the empty A site of the ribosome. The binding of the tRNA is accompanied by the release of GDP-Tu. In step 2, peptide bond formation is accomplished by the transfer of the nascent polypeptide chain from the tRNA in the P site to the aminoacyl-tRNA of th A site, f

27、orming a peptidyl-tRNA in the A site and a deacylated tRNA in the P site. The reaction is catalyzed by a part of the 28S rRNA acting as a ribosome. In step 3, the binding of factor G and the hydrolysis of its associated GTP results in the translocation of the ribosome relative to the mRNA. Transloca

28、tion is accompanied by the movement of the deacylated tRNA and peptidyl-tRNA into the E and P sites, respectively. In step 4, the deacylated tRNA leaves the ribosome, and a new aminoacyl-tRNA enters the A site. (b) Peptide bond formation and the subsequent displacement of the deacylated tRNA. 三、三、RN

29、A在生命來源中的位置及其演化過程在生命來源中的位置及其演化過程 生命是自我復(fù)制的體系生命是自我復(fù)制的體系 DNA替代了替代了RNA的遺傳信息功能的遺傳信息功能 蛋白質(zhì)取代了絕大部分蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能酶的功能Evolution of RNAs that can direct Protein synthesisEvolution of newenzymes that createand make RNAcopies from itQuestion Discussing the following: During the evolution of life on the earth,

30、 RNA has been demoted from its glorious position as the first self-replicating catalyst. Its rolenow is as a mere messenger in the information flow from DNA to protein. 生命是自我復(fù)制的體系生命是自我復(fù)制的體系三種生物大分子，只需三種生物大分子，只需RNA既具有信息既具有信息載體功能又具有酶的催化功能。因此，載體功能又具有酶的催化功能。因此，推測推測RNA能夠是生命來源中最早的生物能夠是生命來源中最早的生物大分子；大分子；核酶核

31、酶(ribosome)：具有催化作用的：具有催化作用的RNA；由由RNA催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì)。催化產(chǎn)生了蛋白質(zhì)。RibosomeSubstrateRNAbase pairing between ribozymeand substrateSubstrate cleavageSubstrate releasecleaved RNAribozymeDNA替代了替代了RNA的遺傳信息功能的遺傳信息功能 DNA雙鏈比雙鏈比RNA單鏈穩(wěn)定；單鏈穩(wěn)定； DNA鏈中胸腺嘧啶替代了鏈中胸腺嘧啶替代了RNA鏈鏈中的尿嘧啶，使之易于修復(fù)。中的尿嘧啶，使之易于修復(fù)。蛋白質(zhì)取代了絕大部分蛋白質(zhì)取代了絕大部分RNA酶的功能酶的功能蛋白質(zhì)化學(xué)構(gòu)造的多樣性與構(gòu)象的蛋白質(zhì)化學(xué)構(gòu)造的多樣性與構(gòu)象的多變性；多變性；